Признайтесь, мир квантовой механики порой кажется настоящей головоломкой, подбрасывающей идеи, которые заставляют усомниться в привычной картине реальности. Помните знаменитое эйнштейновское «жуткое дальнодействие»? Ту самую идею, что две частицы, разнесенные хоть на световые годы, могут оставаться таинственно связанными: измеряешь одну — и мгновенно знаешь состояние другой. Сам Эйнштейн, надо сказать, был не в восторге от такой перспективы, казавшейся ему абсурдной.

Но наука, знаете ли, дама упрямая. То, что казалось «жутким», не только подтвердилось экспериментально, но и легло в основу технологий будущего — квантовой связи и вычислений. За исследования этого явления, названного квантовой запутанностью, не так давно вручили Нобелевскую премию. И мы вроде бы уже привыкли, что частицы света, фотоны, могут быть запутаны по направлению полета, цвету (частоте) или поляризации — направлению колебаний их электрического поля.

Сейчас в вашем мозге играет безмолвная симфония: нейронные пути синхронизируются в электромагнитном хоре, который, как считается, порождает сознание. Однако, как именно различные цепи мозга согласовывают свои импульсы, остается загадкой. Некоторые теоретики предлагают смелое решение, предполагая, что квантовая запутанность может играть важную роль в этом процессе, пишет ScienceAlert. Исследование опубликовано в журнале Physical Review E.

Цилиндрическая полость, образованная миелиновой оболочкой, окружающей нервные волокна (или аксоны), может создавать пары запутанных фотонов. Предполагается, что колебательный спектр углеродно-водородных связей в миелиновой оболочке способствует спонтанному испусканию этих пар.

Это квантовое явление может играть ключевую роль в синхронизации деятельности миллиардов нейронов, составляющих нашу центральную нервную систему. Синхронизация активности нейронов в мозге играет важную роль в контроле многочисленных нейробиологических процессов.

Исследования показали, что потеря этой синхронизации тесно связана с функциональными отклонениями, связанными с неврологическими заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона.

Физики поставили эксперимент, который может служить доказательством существования эффекта квантовой запутанности. Вопрос смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом споров. Для эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения.

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что квантово запутанные частицы мгновенно влияют друг на друга на условно бесконечных расстояниях. В таком случае они должны «передавать информацию» быстрее скорости света.

Швейцарские физики поставили эксперимент, который может служить почти абсолютным доказательством существования эффекта квантовой запутанности. Этот вопрос крайне смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом постоянных споров. Для нового эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения.

Устройство 30-м трубы из эксперимента с волноводом посередине. Источник изображения: ETH Zurich/Daniel Winkler

Недавно объяснял студентам, что такое квантовая спутанность, или (по-английски) quantum entanglement. Речь об этом зашла в связи с вопросом «насколько реальна наша реальность?» или, как говаривал Джон Коннор в «Терминаторе 2»: is it really real?

Квантовая спутанность – один из самых загадочных феноменов в природе, если только не считать, что вся наблюдаемая реальность происходит исключительно в голове у Бога. С физической точки зрения, дело состоит в следующем: когда в 1905 году специальная теория относительности Эйнштейна получила права гражданства в науке, скорость света была объявлена предельно возможной, и ничто, включая физическую передачу информации в любой форме, не может двигаться быстрее, чем свет.

Больше ста лет назад британский физик Эрнест Резенфорд провел ряд экспериментов, которые легли в основу нашего понимания строения атомов и радиоактивности. Открытие им атомного ядра (и первое искусственное превращение атомных ядер) привело к созданию новой концепции материи, согласно которой электроны, подобно планетам, движутся по орбитам вокруг атомного ядра, расположенного в центре.

В 1911 году Резерфорд предположил, что ядро атома имеет положительный заряд, определяющий суммарное число электронов в атомной оболочке. В конечном итоге открытия Резерфорда, Нильса Бора, Ханса Гейгера и Петра Капицы показали, что атомное ядро действительно имеет положительный заряд, а окружающие его электроны (точнее, электронные облака) – отрицательный.

Примечательно, что открытия выдающихся физиков были сделаны без непосредственного наблюдения атомов, но сегодня все изменилось – недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили, что им удалось получить изображение ядра атома в электрическом поле. Впервые в истории.

.В январе 2023 года ученные составили детальную карту расположения элементарных частиц в ядре атомного ядра.

Физики из Национальной лаборатории в Брукхейвене (Brookhaven National Laboratory, BNL) открыли совершенно новый тип квантовой запутанности, достаточно известного явления, связывающего квантовые частицы. И этот новый вид запутанности уже был использован на практике во время экспериментов на коллайдере для изучения процессов и явлений, происходящих внутри ядер атомов.

Нобелевскую премию по физике 2022 года вручили за изучение квантовой запутанности и технологий

«Квантовая физика настолько сложная, что ее никто не понимает», – писал нобелевский лауреат Ричард Фейнман. И это не удивительно, так как даже Альберт Эйнштейн относился к ней настороженно, называя феномен квантовой запутанности «сверхъестественным» и «жутким». В вероятностной природе квантовой механики сомневался ирландский физик-теоретик Джон Белл и другие основоположники этой теории.

Мы воспринимаем время как стрелу, указывающую вперед. К тому же, пространство и время неразрывно связаны между с собой. Их дуэт проявляется в движении и развитии материи. Что же до главой силы во Вселенной, то гравитация искусно вплетает материальные объекты в ткань пространства-времени и дуэт превращается в трио. Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна удивительно точно описывает Вселенную.

Но квантовая механика нарушает эту гармонию, ведь в мире субатомных частиц все устроено иначе. Две фундаментальные физические теории не согласуются друг с другом, что привело к кризису в современной физике. Но что, если взглянуть на ситуацию радикально по-другому? Существует ли вообще время? И если нет, то как тогда устроена Вселенная?

Время – абстрактная величина или математическое понятие, существующее в нашем представлении реальности.

Нам с вами довелось жить в удивительное время. Не самое спокойное, конечно, но посмотрите, чего добилась наука – мы не просто дробим материю на атомы, мы создаем квантовые технологии и даже умеем ими пользоваться. Взять, к примеру, квантовые компьютеры. Эти машины выполняют вычисления на основе вероятности состояния объекта до его измерения — вместо 1 или 0 секунд. Это означает, что они могут обрабатывать экспоненциально больше данных по сравнению с классическими компьютерами, которые выполняют простые логические задачи и операции.

Подобные технологии разрабатываются в течение десятилетий и по крайней мере две программы, написанные для квантового компьютера, датированы 90-ми гг.ХХ века. Одна из них раскладывает большие числа на простые множители и тем самым позволяет взломать нынешнее компьютерное шифрование. Вторая программа может осуществлять поиски, требующие квадратный корень от времени, которое затрачивается на них обычными компьютерами.

Квантовые компьютеры – технологии будущего

Квантовые технологии – сложная область физики, которая исследует поведение субатомных частиц – частиц, которые меньше атомов, основных строительных блоков всей материи во Вселенной.

Физики не перестают добиваться невозможного. Например, квантовая телепортация уже не фантастика, а реальность, если это касается информации, передающейся между двумя компьютерными чипами.

Что означает «квантовая телепортация»? Грубо говоря, ученые передали информацию между микросхемами не посредством физических электронных связей, а посредством квантовой запутанности – путем соединения двух частиц через определенный промежуток с использованием принципов квантовой физики.

Употребляя понятие «реальность», всякий образованный человек имеет ввиду то, что существует в действительности. Причем существует само по себе, не завися ни от внешних условий, ни от наличия наблюдателя, сознание которого подобно преломляющей линзе. Доказывать последнее утверждение нет особого смысла, настолько оно очевидно.

С точки зрения квантовой физики у существования нашей Вселенной может быть смысл

Что вы знаете о квантовой физике? Даже гуманитарию вроде меня понятно, что физика и квантовая физика изучают немного разные вещи. При этом физика в целом – это наука о природе, которая изучает то, как устроен мир и как все объекты и тела взаимодействуют друг с другом. Будучи разделом физики, квантовая механика изучает наш мир на самом глубинном уровне. Дело в том, что все, что нас окружает состоит из атомов. Да что там, даже мы с вами – это ни что иное как ансамбль из атомов, которые зародились в ядрах сверхновых звезд.

Долгое время считалось, что законы квантовой механики распространяются только на крошечные объекты, вроде фотонов. Однако физики доказали, что этим правилам могут подчиняться и очень крупные (по меркам молекулярного мира) тела.

Наверное, вы не раз слышали про мысленный эксперимент, который в свое время сформулировал австрийский физик Эрвин Шрёдингер — тот самый, с котом, коробкой и радиоактивным изотопом. По условиям эксперимента, кот может быть одновременно мертв и не мертв, то есть находится в состоянии своего рода квантовой неопределенности — «суперпозиции». Что ж, ученые не стали сажать котов в коробки, а просто провернули тот же эксперимент с огромной молекулой, состоящей из 2000 атомов.

Китайский квантовый спутник был запущен на орбиту два года назад. С тех пор он помог в проведении целого ряда экспериментов, а прошлым летом даже смог передать информацию трём наземным станциям, расположенным на расстоянии в тысячу километров друг от друга.

На днях китайские физики вновь поставили рекорд, передав данные по защищённому каналу между австрийским городом Грац и китайским Синлуном. Расстояние между городами составляет более 7 тысяч километров.

Создав два запутанных фотона в существующей системе, а затем разделив их на большое расстояние, мы сможем получить информацию о состоянии одного из них, измерив состояние другого

Квантовая физика полна загадок, печально известных тем, что они противоречат нашей интуиции. Частицы, кажется, знают, смотрите ли вы на них, или нет, и демонстрируют различное поведение, в зависимости от того, наблюдаете вы за ними, или нет, проходя через двойную щель.

 

Много лет назад Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». Это действительно контринтуитивная концепция, которая на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Два объекта могут находиться друг от друга на большом расстоянии, но они сохраняют «связь» друг с другом через свои квантовые состояния. Разрушив состояние одного объекта (измерив его), мы тем самым узнаём состояние запутанного с ним объекта, на каком бы расстоянии тот ни находился. То есть квантовое состояние первого объекта в момент измерения как бы переходит ко второму объекту, это образно называют квантовой телепортацией.

Сейчас группа китайских физиков впервые в мире осуществила квантовую телепортацию объекта с Земли на орбиту. Результаты эксперимента с «жутким действием на расстоянии» опубликованы 4 июля 2017 года на сайте препринтов arXiv.org (arXiv:1707.00934).

Принцип неопределенности говорит, что мы не можем знать определённые свойства квантовой системы в один и тот же момент времени. Например, мы не можем одновременно узнать положение частицы и ее скорость. Но что это говорит нам о реальном мире? Если бы мы могли заглянуть за кулисы квантовой теории, обнаружили бы мы, что объекты действительно обладают определенным положением и скоростью? Или принцип неопределенности означает, что на фундаментальном уровне объекты просто не имеют четкой координаты и импульса одновременно. Другими словами, неполна ли наша теория или реальность «размыта» на самом деле?