Квантовые технологии: Эйнштейн, лазер и супермощные компьютеры будущего

Квантовые технологии: Эйнштейн, лазер и супермощные компьютеры будущего2 марта1,8K прочитали

Говорят, что без знаний законов физики весь мир кажется волшебным и непредсказуемым. Сегодня погружаемся в одну из самых трудных и вдохновляющих тем современной физики — квантовые технологии, и смотрим, как открытия прошлого столетия прямо сейчас двигают науку в будущее.

Что такое квантовые технологии

Квантовые технологии — это область науки и техники, которая использует уникальные свойства квантовых систем для создания новых устройств и методов обработки, передачи и хранения информации.

Квантовые системы — фотоны, атомы и ионы — обладают свойствами, которые позволяют им обрабатывать информацию на принципиально ином уровне.

Результатами внедрения квантовых технологий мы пользуемся каждый день: например, это все наши компьютеры и смартфоны. Более сложные изобретения — лазер и термоядерная реакция тоже существуют благодаря открытию квантов.

Сегодня в развитие квантовых технологий вкладываются миллиарды долларов по всему миру. Это одно из самых перспективных направлений науки ближайших десятилетий. Особенно исследователей и инженеров увлекает идея создание квантового компьютера: он станет настолько быстрым и мощным, что с его помощью можно будет изучать далёкие планеты, проводить сверхбыстрые расчёты и получать доступ даже к самым защищённым данным.

Смотрите новый ролик проекта БУМ Науки о квантовых технологиях

Давайте узнаем, с чего всё началось более 100 лет назад.

Великие квантовые открытия

Понятие кванта в начале 20 века ввели в своих работах Макс Планк, Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Квант стал основным понятием квантовой физики: это минимальная неделимая единица энергии, магнитного момента или света.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк безуспешно пытался описать излучение абсолютно чёрного тела, используя классическую физику. Он допустил, что нагретые тела излучают энергию не непрерывно, а определёнными «порциями» — квантами энергии.

В 1913 году датский учёный Нильс Бор разработал модель атома. Он разработал модель атома, согласно которой он состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, вокруг которого по некоторым орбитам движутся электроны, как планеты вокруг Солнца. Согласно этой модели атомные электроны могли существовать только на определенных энергетических уровнях или орбитах, и не могли находиться между этими уровнями. Боровская модель атома стала одним из основополагающих принципов современной физики.

А в 1921-м году Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за открытие законов фотоэффекта. Знаменитый учёный описал облучение металлической пластинки светом и предположил, что свет может быть не непрерывным потоком электромагнитного излучения, а состоять из квантов света — фотонов.

Благодаря квантам удалось описать энергетическую структуру атомов и молекул, а также поведение объектов в квантовом мире.

Квантовые открытия позволили создать приборы, использующие принципы квантовой физики: лазеры, транзисторы, солнечные батареи, фотодетекторы и другие.

Больше интересного о квантовых технологиях — в новом выпуске подкаста БУМ Науки

Мазер и лазер

В середине 20 века советские физики Александр Прохоров и Николай Басов стали всемирно известны как создатели технологии, которая легла в основу создания лазера. На самом деле лазер — это оптический квантовый генератор.

Учёные сформулировали основные принципы квантового усиления и сконструировали первый микроволновой квантовый генератор — мазер — на пучке молекул аммиака. Мазер — акроним от английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, усиление микроволн с помощью вынужденного излучения.

В то же время Чарльз Таунс в Колумбийском университете проводил аналогичные эксперименты со светом, а не с микроволнами, поэтому его разработка называется лазер — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

У света длина волны — от 380 нм до 780 нм, у микроволн — от 1 мм до 1 м.

В 1964 году советским учёным, а также американскому коллеге присудили Нобелевскую премию по физике. Премию разделили, потому что советские учёные и Таунс занимались одним и тем же исследованием параллельно, не имея возможности общаться и обмениваться научными достижениями из-за железного занавеса.

Развитие квантовых технологий сегодня

Квантовые коммуникации позволяют создавать защищённые сети связи. Например, в Китае в 2017 году открыли квантовую линию связи между Пекином и Шанхаем. Считается, что квантовые коммуникации потенциально могут быть защищены от атак с использованием квантового компьютера.

Квантовые сенсоры позволят создавать сверхточные и чувствительные датчики для медицины, систем спутниковой связи и археологии. Большинство разработок на базе квантовых технологий пока существуют только в лабораториях.

Крупные корпорации активно тестируют внедрение квантовых технологий в свои изобретения. Например, в Microsoft уже начали тестировать сервис с облачным доступом к квантовым вычислениям Azure Quantum.

Хотите узнавать всё самое интересное из мира науки? Подписывайтесь на наш телеграм-канал Creative Science Lab!

Квантовый компьютер — техника будущего

Помните кота Шрёдингера, который жив и мёртв одновременно? На его примере учёный объяснил один из принципов работы квантового мира: способность квантовой частицы одновременно находиться в разных состояниях до тех пор, пока не будет сделано наблюдение — фиксация состояния.

На таком же принципе основана работа квантового компьютера: вместо битов, которые находятся в положении либо 1, либо 0, он использует кубиты (quantum bit), которые содержат в себе оба положения одновременно. Кубит вмещает в себя все возможные комбинации. То есть может хранить намного больше информации, чем классический бит. В этом главное отличие квантового компьютера от обычного.

В середине 2023 года журналисты обнаружили, что в Google создали сверхмощный квантовый компьютер: он способен за 6,7 секунды производить сложные вычисления, на которые у официально признанного самым производительным компьютера Frontier ушло бы 47 лет. Об этом говорится в статье исследователей корпорации на ArXiv, обнаруженной редакцией The Telegraph. Работа была опубликована в апреле 2023 года.

Генеральный директор Google Сундар Пичаи и квантовый компьютер

Последняя версия квантовой машины Google с квантовым процессором Sycamore в настоящее время содержит 70 кубитов. Это большой скачок по сравнению с 53 кубитами предыдущей версии. Новый процессор примерно в 241 миллион раз более надёжный, чем предыдущая модель.

Квантовые компьютеры будущего не получится поставить дома (по крайней мере, в обозримом будущем) — они будут большими и очень дорогими. Зато корпорации смогут внедрять их в свою деятельность, благодаря чему наша повседневная жизнь станет значительно проще и дешевле.

Слушайте наш подкаст БУМ Науки и смотрите ролики на YouTube-канале Creative Science Lab, чтобы узнавать всё самое интересное из мира науки и технологий!

Подписывайтесь на телеграм-канал Creative Science Lab — мы создаём БУМ Науки и другие интересные проекты.

Проект реализуется при поддержке Президентского фонда культурных инициатив

Подпишитесь на канал,чтобы не пропустить новые публикацииПодписаться25016