Организация Объединённых Наций объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий. Это стоит отметить, поскольку электронное устройство, которое вы используете для чтения этой статьи, зависит от некоторых передовых приложений квантовых явлений.
Выбор года
Этот год был выбран потому, что в 2025 году исполняется сто лет с момента публикации первых статей по квантовой механике, также известной как квантовая физика. В этих статьях были определены научные принципы, описывающие движение и взаимодействие субатомных частиц, таких как фотоны и электроны — частицы, из которых состоит всё, что мы сейчас понимаем под материей.
Квантовые технологии повсюду
Столетие спустя технологии, основанные на квантовой механике, повсюду. Такие устройства, как мобильные телефоны, зависят от передовых приложений теории квантовой электродинамики, которая описывает взаимодействие материи и электромагнитного излучения на уровне отдельных атомов.
Для конечного пользователя электронные устройства представляют собой вершину современных технологий. Ваш мобильный телефон — это машина, которая, кажется, способна делать почти всё и делает это с кажущейся непогрешимой уверенностью.
Однако иллюзия простоты исчезает, когда дело доходит до понимания того, как эти устройства работают на атомном уровне.
Принцип неопределённости
В основе квантовой механики лежит принцип неопределённости. Существуют некоторые фундаментальные величины, например, положение и импульс частицы, которые мы не можем одновременно измерить точно. Если мы знаем точное местоположение электрона, например, мы ничего не можем сказать о его импульсе. И наоборот, если мы точно знаем его импульс, мы не можем сделать никаких определённых заявлений о том, где он находится.
Принцип неопределённости накладывает ограничения на точность одновременных измерений некоторых физических величин. Никакие экспериментальные стратегии, какими бы хитрыми или гениальными они ни были, не могут обойти это фундаментальное правило природы.
В квантовой механике определённость заменяется вероятностью. Мы можем говорить только о вероятностях того, что измерения таких свойств, как положение и импульс, будут получены в любой момент времени.
Всё, что мы можем знать о квантово-механической системе, содержится в математическом объекте, называемом волновой функцией, который используется для расчёта этих вероятностей по некоторым чётко определённым правилам.
Сегодня мы очень хорошо умеем получать эти волновые функции и использовать правила квантовой механики для предсказания результатов физических измерений. Квантовая электродинамика, например, была проверена на экспериментах с точностью лучше одной части из 1 000 000 000 000. Это самая точная физическая теория, которую мы разработали.
Две школы мысли
Среди физиков и философов существуют две разные точки зрения на роль квантовой механики как научной теории. Одни считают квантовую механику чисто математическим процессом для прогнозирования и интерпретации физических измерений. Другие настаивают на том, что она должна раскрывать саму природу физической реальности.
Вторая группа утверждает, что продолжающееся отсутствие консенсуса относительно интерпретации квантовой механики показывает, что это неполная физическая теория, несмотря на её ненарушаемую предсказательную силу.
Квантовые компьютеры
Одним из наиболее удивительных следствий её математической структуры является то, что квантовые системы можно использовать для создания новых типов информационных технологий. Теоретическая мощность этих так называемых квантовых компьютеров намного превосходит возможности самых мощных современных суперкомпьютеров.
Сегодня Школа физики Мельбурнского университета руководит аспирантами, разрабатывающими вычислительные алгоритмы, которые выполняются на первом поколении функциональных квантовых компьютеров в рамках плодотворного сотрудничества с IBM.
Наши исследователи также занимаются экспериментальными исследованиями по разработке следующего поколения аппаратного обеспечения и устройств для квантовых вычислений, которые используют квантовую механику для обнаружения крошечных электромагнитных полей.
Подобно многим проектам в физике, вызовы со временем уступают место прогрессу. Иногда этот прогресс занимает десятилетия и включает в себя большие, совместные, междисциплинарные и международные команды исследователей.
Школа физики в Мельбурне когда-то размещала CSIRAC, первый цифровой компьютер Австралии. Спустя семьдесят лет мы по-прежнему находимся в авангарде вычислительной физики, возглавляя исследования о потенциальных приложениях квантовых компьютеров.
Это может сделать возможным разработку новых фармацевтических препаратов и открытие высокотемпературных сверхпроводящих материалов с использованием вычислительных реализаций квантовой механики. Поиск тёмной материи обещает расширить наше понимание субатомных частиц во Вселенной. Возможно, это даже приведёт к формулировке неуловимой «теории всего», которая полностью примирит теории квантовой механики и общей теории относительности.
То, что мы достигли такого прогресса в первый век квантовой механики, безусловно, стоит отметить.
Предоставлено
[Мельбурнским университетом](https://phys.org/partners/university-of-melbourne/)