Многие правительства и технологические компании вкладывают значительные средства в квантовые технологии. В Новой Зеландии недавно анонсированный [Institute for Advanced Technology](https://www.mbie.govt.nz/about/news/nz-institute-for-advanced-technology-details-announced) также будет заниматься исследованиями в этой области.
По мере развития квантовых технологий растёт необходимость в квантовой грамотности. Это важно для информированных дискуссий и разработки политики в отношении их потенциально глубоких социальных последствий.
Квантовые технологии основаны на квантовой механике — фундаментальной теории, объясняющей структуру материи и позволившей создать множество полезных устройств, таких как транзисторы, микрочипы и лазеры.
Термин «квантовый» происходит от немецкого физика Макса Планка, который предположил, что энергия может поступать только дискретными порциями, или квантами. Когда атомы поглощают или излучают кванты энергии, они переходят между квантованными энергетическими уровнями. Новые технологии используют квантовую природу таких уровней для разработки сверхбыстрых компьютеров, прецизионных датчиков и улучшенного шифрования.
Одним из ключевых компонентов практически любой квантовой технологии является явление, известное как квантовая запутанность. Оно имеет поистине странные последствия, которые Альберт Эйнштейн однажды назвал «жутким дальнодействующим эффектом». Среди людей, не являющихся физиками, оно обычно вызывает недоумение или восхищение.
Квантовая запутанность
Концепции квантовой механики иногда используются — и при этом иногда искажаются — в популярной культуре. Запутанность не стала исключением. Некоторые писатели-фантасты используют её для того, чтобы сделать невозможное правдоподобным.
Например, в романе Лю Цысиня 2008 года [«Задача трёх тел»](https://www.goodreads.com/book/show/20518872-the-three-body-problem) инопланетная цивилизация использует пары запутанных частиц для поддержания сверхсветовой связи с Землёй. Чтобы было ясно, [это невозможно](https://en.wikipedia.org/wiki/No-communication_theorem).
Квантовая запутанность не может преодолеть предел скорости света, но она может заставить работать некоторые удивительные вещи. Например, квантовые датчики улучшают применение в медицине и экологическом мониторинге, а также в точных измерениях, таких как детектор гравитационных волн [LIGO](https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20231023) в Соединённых Штатах.
Квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи, которые [практически неразрешимы на классическом компьютере](https://www.nature.com/articles/d41586-023-01692-9), например, моделирование механики сворачивания белков. А квантовая криптография обеспечит более надёжную защиту информации за счёт [предоставления протоколов шифрования, защищённых от подслушивания](https://physics.aps.org/articles/v15/63), а также сможет обнаруживать землетрясения.
Запутанность работает только с квантовыми объектами и наиболее ярко проявляется, когда есть только два энергетических уровня.
Квантовые биты и суперпозиция
Классические компьютеры хранят информацию в битах, где каждый бит может быть либо 0, либо 1. В квантовом компьютере биты заменены на «кубиты», каждый из которых имеет два энергетических уровня, обычно обозначаемых как $|0⟩$ и $|1⟩$.
В отличие от классического бита, кубит может находиться в «суперпозиции», то есть быть одновременно $|0⟩$ и $|1⟩$, пока наблюдатель не проверит состояние кубита. Это измерение даёт либо 0, либо 1, в зависимости от относительной доли состояний $|0⟩$ и $|1⟩$ в суперпозиции.
Чтобы обсудить запутанность, нам нужно рассмотреть по крайней мере два кубита в запутанном состоянии. Мы используем состояние, описанное математически как $|Φ+⟩$.
Давайте представим двух квантовых инженеров, которых мы назвали Алиса и Боб на нашей иллюстрации. Каждый берёт по одному кубиту из пары и отправляется в разные места. Когда они измеряют свои кубиты, они оба получают 0 или 1 с равной вероятностью.
Если они повторят этот эксперимент со многими другими парами запутанных кубитов, подготовленных в том же состоянии $|Φ+⟩$, и запишут свои результаты, оба обнаружат случайный ряд 0 и 1. Но когда они сравнят свои списки, они обнаружат нечто поразительное: каждый раз, когда Алиса измеряет 0, Боб также измеряет 0 для своего соответствующего кубита, и наоборот. Результаты идеально коррелированы, даже несмотря на то, что их состояния неопределённы до измерения.
Это как если бы, когда Алиса делает своё измерение, кубит Боба мгновенно «знает» и переходит в то же состояние.
Эйнштейн был настолько обеспокоен этим неинтуитивным поведением, что твёрдо верил: квантовая механика должна быть неполной, и что лучшая теория будет содержать скрытые переменные, определяющие результаты измерений ещё до того, как пара будет разделена.
Однако эксперименты 1980-х годов окончательно опровергли такие теории о локальных скрытых переменных. За демонстрацию того, что Эйнштейн ошибался, [троим физикам была присуждена Нобелевская премия в 2022 году](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/).
Мы проиллюстрировали запутанность, используя пары кубитов. Но, по сути, запутанность может возникать между всеми видами физических систем, и именно здесь исследователи из Новой Зеландии вносят значительный вклад.
Сверхпроводники — это материалы, которые имеют нулевое электрическое сопротивление при охлаждении ниже определённой температуры и в то же время вытесняют магнитные поля. Они полезны для изготовления сильных магнитов. Чтобы сделать металл сверхпроводящим, электроны образуют запутанные пары, известные как пары Купера.
Исследовательская группа, в которую входит один из нас, недавно предложила схему извлечения запутанных электронных пар из сверхпроводника и [переноса их запутанности на фотоны](https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.6.020339), кванты света. Другая исследовательская группа успешно [запутала два атома, охлаждённых почти до абсолютного нуля](https://www.nature.com/articles/s41467-019-09420-6).
Чтобы расширить исследования и построить индустрию, основанную на квантовых технологиях, нам нужны целенаправленные инвестиции для создания квантово-готовой рабочей силы. Мы не только должны активно участвовать в глобальных квантовых исследованиях и извлекать из них выгоду, но и повышать квантовую грамотность на всех уровнях общества — начиная со школы.
Предоставлено [The Conversation](https://phys.org/partners/the-conversation/).
Эта статья была опубликована на [The Conversation](https://theconversation.com) под лицензией Creative Commons. Читайте [оригинальную статью](https://theconversation.com/spooky-action-at-a-distance-a-beginners-guide-to-quantum-entanglement-and-why-it-matters-in-the-real-world-266227).