В рамках Всероссийского фестиваля «НАУКА 0+» старший научный сотрудник Российского квантового центра Дмитрий Чермошенцев провел лекцию «Квантовые вычисления и причем тут котики». Главной задачей спикера было объяснение сложных квантовых явлений простым языком с помощью мемов. Дмитрий рассказал слушателям о свойствах квантов, состоянии суперпозиции и экспериментах с котом Шредингера.
©Полина Соколова / Журналист Online
Ученый начал лекцию с общего определения кванта. Квант — это неделимая порция некоторой величины в физике. Исследования, связанные с квантовыми частицами, ведутся не так давно. Квантовая физика пришла в науку в середине 20 века с появлением лазеров и полупроводниковых технологий.
Развитие этой сферы привело к тому, что человечество стало лучше и лучше производить микросхемы. Основной элемент таких микросхем — транзистор. Дмитрий Чермошенцев отметил, что в физике есть закономерность, согласно которой размер транзистора уменьшается каждые два года. Эту тенденцию обнаружил Гордон Мур. Спикер объяснил: чем меньше становятся транзисторы, тем больше в них проявляются атомные эффекты. Но проблема в том, что нельзя напечатать транзистор, который будет размером с атом.
«Можно подумать, что мы уперлись в потолок, и больше не можем решать проблемы с помощью квантовых вычислений, делать жизнь качественнее», — обозначил проблему ученый.
Но квантовая физика развивается и решает актуальные трудности в разных сферах. Так, например, компания Airbus в начале 2019 года запустила программу по привлечению специалистов из области квантовых технологий. Разработчикам предлагается решить следующие задачи: оптимизация расходов топлива при взлете, вычислительная гидрогазодинамика, оптимизация багажной загрузки самолета и многие другие.
Также Дмитрий с помощью жизненных примеров объяснил состояние суперпозиции и понятие квантовой запутанности. Фотоны иногда ведут себя как волны, а иногда как поток частиц. Поведение потока частиц свойственно людям. Один и тот же человек не может одновременно зайти через две двери. Но вот есть фотоны, которые ведут себя как волны, они могут обогнуть препятствие с двух сторон. После того как они это осуществляют, то переходят в состояние квантовой суперпозиции. Суперпозиция — это комбинация различных состояний квантовой системы, в которых она как бы находится одновременно.
Пример состояния квантовой суперпозиции — эксперимент с котом Шредингера. В коробку с котом положили радиоактивный изотоп, который мог распасться с вероятностью более 50%. Если изотоп распадается, получается нейтрон. Установленный счетчик Гейгера может детектировать нейтрон. При распаде атома счетчик приводит в действие молоточек, который разбивает колбу с ядовитой кислотой. Но с вероятностью 50% распад может не произойти. А это значит, что кот с вероятностью 50% живой. То же самое происходит с квантовыми объектами, когда мы с ними взаимодействуем. А квантовая запутанность — явление, при котором состояние двух или большего числа квантовых объектов оказываются взаимозависимыми, то есть влияют друг на друга.
Сейчас квантовые явления — важнейшая сфера физических исследований. Лидером в их изучении является Китай. Если развивать эту сферу, то можно решить многие производственные проблемы.
