«Что общего у ворона и письменного стола?» – известный вопрос Шляпника из «Алисы в Стране чудес». Мы его немного переформулируем. Что общего между тостером и Максом Планком? Или между ласточкой и квантовой запутанностью? Казалось бы, квантовая физика так сложна, что в повседневной жизни мы ее не найдем. На самом деле, она буквально окружает нас.
Процессор квантового компьютера Sycamore Фото: Erik Lucero ai.googleblog.com
На кубиты рассчитайсь
За месяц до написания этой статьи, в июне 2020 года, компания Honeywell заявила о создании самого мощного на данный момент квантового компьютера. В пресс-релизе описали устройство: высокая вакуумная камера со сферой из нержавеющей стали размером с баскетбольный мяч, с системой криогенного охлаждения жидким гелием, с электрическими полями внутри чипа, покрытого золотом. Вряд ли кому-то немедленно захотелось приобрести эту машину себе домой.
Квантовые компьютеры потенциально могут оказаться мощнее и обычных, и суперкомпьютеров, поскольку они используют свойства квантовой физики для хранения данных и выполнения вычислений. Если обычные компьютеры кодируют информацию в двоичных битах – 0 или 1, то квантовые пользуются другими единицами памяти – квантовыми битами или кубитами. Кубиты обладают суперпозицией, то есть, грубо говоря, могут быть и единицей, и нулем. Для обычного компьютера достаточно восьми бит, чтобы представить любое число от 0 до 255. Нескольких сотен запутанных кубитов хватит, чтобы представить число больше, чем количество атомов во Вселенной. Например, квантовый компьютер компании D-Wave в 2015 году решил поставленную задачу в 100 млн раз быстрее, чем обычный. Но квантовому компьютеру, чтобы он был по-настоящему эффективным, нужно достичь состояния квантового превосходства – то есть «обыграть» своих классических коллег с настолько большим счетом, чтобы эффективность оправдала затраты на производство.
В конце 2019 года компания Google объявила в журнале Nature, что ее квантовый компьютер Sycamore это превосходство получил. По словам руководителя группы Джона Мартиниса (John Martinis), Sycamore за 200 секунд решил задачу, которую даже самые мощные суперкомпьютеры выполняли бы 10 тыс. лет. Правда, с Google не согласны в IBM, еще одном игроке рынка квантовых компьютеров: его представители утверждают, что никаких тысяч лет не нужно, а задачу можно решить за два с половиной дня на обычном компьютере. Это, конечно, чуть дольше, чем пара минут, но все же вполне выполнимо, а значит, квантовому превосходству можно помахать ручкой.
В чем же проблема? Во-первых, квантовые компьютеры очень дорогие. В 2019 году Росатом заявил, что планирует создание такого устройства. Стоимость превышала $300 млн. Во-вторых, квантовые компьютеры очень чувствительны к теплу и электромагнитным полям: столкновения с молекулами воздуха приводят к тому, что кубиты теряют свои свойства и система дает сбой. И чем мощнее компьютер, тем опаснее даже маленькая неточность производства. Кубиты требуют изоляции, а организовать ее в условиях, когда машину необходимо не только построить, но еще иногда включать, пока почти невозможно. Канадская компания D-Wave работает над созданием квантовых компьютеров и презентует каждый новый успех как революционное восстание машин, но фактически мощности их устройств пока не выходят даже за границы классических машинных систем. Квантовый компьютер – немного как кот Шредингера. Он, с одной стороны, уже есть, а с другой стороны – его все еще нет.
Сканер для мозга
В отличие от квантовых компьютеров, аппарат магнитно-резонансной томографии знаком многим. Если врачу нужно понаблюдать за активностью мозговых зон пациента, он запустит огромную машину МРТ. Первоначально метод назывался ядерным магнитным резонансом, но авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году заставила общественность массово отказываться от всего «ядерного» в названиях. Сам процесс от этого ядерных свойств не потерял.
Аппарат МРТ тоже начинается с квантовой физики. Магнитно-резонансные томографы работают с очень маленькими частицами – ядрами водорода, которые располагаются в молекулах воды в теле пациента. Но эти крошечные частицы сами по себе довольно спокойны, они как бы носят мантию-невидимку. Чтобы их увидел аппарат МРТ, нужны раздражитель и ответный импульс от ядер. Магнит в устройстве создает магнитное поле. Спины частиц определенным образом располагаются в нем: некоторые выстраиваются по направлению магнита, а другие – против. «Противники» считаются ядрами с более высокой энергией, а их слабенькие собратья – с низкой. Именно ядра водорода с низкой энергией и нужны аппарату МРТ. Он через катушку посылает энергию электромагнитного поля к ним на так называемой резонансной частоте, где ее улавливают ядра. «Слабые» ядра поглощают энергию и становятся сильными. Но им, похоже, это не очень нравится, потому что через некоторое время, за которое пациент в аппарате МРТ успевает пережить приступ клаустрофобии, ядра в процессе релаксации отдают энергию обратно. Человеческое тело превращается в один большой радиопередатчик. Аппарат улавливает отданную энергию и отправляет ее на компьютер. Там вся эта сложная система выглядит как набор здоровых и поврежденных тканей, который уже может дешифровать доктор.
Брейн-ринг
Заходят как-то 12 классических программ машинного обучения в бар к некурящим и курящим людям, и квантовые алгоритмы им говорят: «Давайте мы за вас выберем напитки». Примерно так все и происходило в эксперименте китайских ученых, статью о котором они опубликовали в журнале Nature Human Behaviour в 2020 году. Квантовые и классические алгоритмы и люди, некурящие и курящие, играли в игру. Ее формат похож на аппарат в казино, когда ты дергаешь за рычаг и на экране в произвольном порядке появляются четыре набора карточек. С карточками работали и в этом случае. Из четырех вариантов нужно было выбрать только один, и выбор либо приносил деньги, либо забирал их. Игроки должны были как можно быстрее разгадать логику игры. Результаты показали, что квантовые алгоритмы быстрее классических обыгрывали систему: чем больше информации они накапливали, тем устойчивее было решение. Примерно такой же процесс показал как раз аппарат фМРТ некурящих людей. С курящими все оказалось сложнее – вероятно, их затруднения связаны с тем, что никотиновая зависимость влияет на механизм принятия решений.
Квантовые алгоритмы нужны для квантовых компьютеров. В 1985 году британский физик Дэвид Дойч (David Deutsch) предложил для решения так называемой проблемы черного ящика алгоритм Дойча–Йожи (Deutsch–Jozsa algorithm). Будучи одним из первых квантовых алгоритмов, он за один запрос определял, является ли функция двоичной переменной постоянной или сбалансированной, в то время как классический компьютер требовал двух запросов. В борьбе квантовой и классической физики это была явная победа первой. То самое квантовое превосходство.
Навигатор для птиц
На этой планете мы не единственные, кому нужна квантовая физика. В 2010 году ученые из Калифорнийского университета опубликовали в New Scientist статью о том, что внутренние компасы перелетных птиц могут быть «настроены» на квантовые свойства. Птицы мигрируют на другие континенты каждый год, а потом безошибочно возвращаются не только в тот же район, но и точно в прежнее место. Ученые давно предполагали, что птицы способны ориентироваться по магнитному полю Земли. Глава исследовательской группы Калифорнийского университета, биофизик Торстен Ритц (Thorsten Ritz) заметил, что ученые уверены насчет способности птиц обнаруживать магнитное поле, но не понимают, с помощью какого органа они это делают. Есть версия, что птицы могут полагаться на квантовую запутанность – способность частиц обмениваться свойствами, даже когда они разделены. Чтобы понять, что такое квантовая запутанность, представьте, что у вас и у вашего друга с другого конца земного шара есть связанные куски хлеба. Если ваш начнет черстветь, то и с его квантовым партнером произойдет то же самое.
Возможно, птицы тоже пользуются квантовой запутанностью. Ученые считают, что этот процесс стал возможен благодаря белку криптохрому внутри глазных клеток. Когда свет касается птичьего глаза, он попадает в этот самый криптохром, который придает энергию одному из электронов запутанной пары, отделяя его от партнера. В своем новом местоположении электрон испытывает другую величину магнитного поля Земли, и это изменяет импульс электрона. Птицы могут использовать эту информацию, чтобы построить внутреннюю карту магнитного поля Земли, выясняя с ее помощью свое местоположение и направление. Чтобы проверить это предположение, ученые провели эксперимент с плодовыми мушками, глаза которых также содержат криптохром. Когда экспериментаторы извлекли этот белок из глаз мух, они потеряли способность ориентироваться в пространстве и начали вести себя беспорядочно. И хотя пока с птицами это только гипотеза – если ей найдут подтверждение, квантовая физика окажется буквально парящей над нашими головами.
Планк-сандвич
Все эти области применения квантовой физики, конечно, очень интересны, но малоприменимы в быту. Многие повседневные явления своим существованием тоже обязаны квантовым эффектам. Например, тостер. Если он у вас есть, загляните внутрь и включите устройство. Пальцами лучше не трогать, достаточно визуального контакта. Тостер излучает теплое красноватое свечение. Когда-то квантовая физика помогла выяснить, почему именно такое.
К сожалению, мы не смогли найти такую фотографию, где на тостере был бы портрет Макса Планка, так что важен тут только красный цвет walpapermaiden.com
Независимо от материалов объекта, если его можно нагреть без вреда для оболочки и внутренностей, при нагревании он будет излучать красный цвет. По идее тостер должен был бы излучать рентгеновские и гамма-лучи по всей кухне, потому что способов испускать высокочастотный свет гораздо больше, чем низкочастотный. Этого, к счастью, не происходит. Задачу решил легендарный Макс Планк. Он ввел «квантовую гипотезу», предположив, что свет может испускаться только в небольших порциях энергии, кратных постоянной величине, умноженной на частоту света. Чтобы понять все это, лучше прочитать статью об ультрафиолетовой катастрофе и самом Планке (подробнее об здесь). Сможете объяснить своему тостеру.
Таинственная квантовая физика живет не только внутри коридоров Большого адронного коллайдера, ускорителя частиц. Ею занимаются технические гиганты, она нужна для маленьких экспериментов, вероятно, необходима в привычной жизни перелетных птиц, помогает в медицине, светится красным на наших кухнях. Между вороном и письменным столом общая, скорее всего, только буква «о». С квантовой физикой вопрос общности не такой праздный. Она, хоть и кажется далекой, на самом деле везде вокруг нас.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
