Квантовая механика: что скрывается за «жутким действием на расстоянии» Эйнштейна
AI Изображение создано с помощью ИИ и носит иллюстративный характер
Представьте, что вы светите фонариком в темной комнате. Свет, как кажется, летит по прямой. Но на атомном уровне всё иначе: частица света исследует все возможные пути одновременно — отражается от стен, изгибается в пространстве, делает немыслимые петли. Природа держит все варианты «живыми», пока не произойдет наблюдение. Тогда появляется один результат — обычно самый вероятный. Эта идея лежит в основе квантовой механики, и сегодня ученые учатся использовать эти эффекты для создания квантовых компьютеров. Об этом пишет сайт Phys.org.
В повседневной жизни физика проста: мяч либо на столе, либо нет. В квантовой механике частицы не имеют определенного состояния, пока их не измерят. Электроны, фотоны и атомы могут находиться в суперпозиции — смеси нескольких состояний. Знаменитый кот Шредингера одновременно жив и мертв, пока не откроют ящик. Суперпозиция многократно подтверждена в лабораториях, но она крайне хрупка: тепло, вибрации, электромагнитные поля разрушают её, заставляя систему выбрать одно состояние. Физики называют это декогеренцией. Квантовая система похожа на вращающуюся монету: пока она в воздухе, исход не определен; измерение заставляет её упасть орлом или решкой.
Еще одно странное свойство — запутанность. Когда две частицы взаимодействуют особым образом, их свойства становятся связанными, даже на большом расстоянии. Измерение одной мгновенно говорит о состоянии другой. Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии» и считал, что теория неполна. Однако эксперименты доказали реальность запутанности. Представьте двух танцоров, которые после долгих тренировок могут синхронно двигаться на разных сценах без слов — их идеальное время обусловлено общим опытом.
Обычный компьютер использует биты — нули или единицы. Квантовый компьютер использует кубиты, которые благодаря суперпозиции могут быть нулем, единицей или их смесью одновременно. Два кубита кодируют четыре возможности, 10 кубитов — 1024, а 300 кубитов — больше состояний, чем атомов во Вселенной. Квантовые компьютеры не заменят обычные для почты или стриминга, но смогут решать задачи, непосильные классическим: моделировать молекулы для создания новых лекарств, разрабатывать материалы для солнечных батарей, улучшать криптографию.
Почти вся приватная информация в интернете защищена шифрованием RSA, основанным на умножении двух больших простых чисел. Обычному компьютеру потребуются миллиарды лет, чтобы взломать ключ. В 1994 году математик Питер Шор показал, что мощный квантовый компьютер справится за несколько часов. Современные квантовые компьютеры пока недостаточно велики, но прогресс может привести к этому через 10–20 лет. Эксперты предупреждают о стратегии «собери сейчас, расшифруй потом»: хакеры уже накапливают зашифрованные данные в надежде на будущие квантовые компьютеры. Например, медицинские записи 2026 года могут быть уязвимы в 2040-м.
Квантовая механика не только угрожает текущей безопасности, но и предлагает новую защиту. Квантовое распределение ключей использует хрупкость квантовых состояний для обнаружения подслушивания: попытка перехвата меняет систему и оставляет следы. Китайские исследователи продемонстрировали квантовое распределение ключей через спутники в 2017 году, и правительства по всему миру работают над квантово-безопасными сетями. Однако те же инструменты, которые помогают изучать белки, могут использоваться для шпионажа. Первые страны и компании, построившие квантовые компьютеры, превосходящие классические, получат значительную власть. Это изменение может стать столь же важным, как изобретение письменности или ядерных технологий.
В 2019 году Google заявил, что его процессор Sycamore выполнил определенное вычисление за 200 секунд, тогда как суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет. Некоторые оспаривали это, но шаг был значительным. Сейчас IBM, Google, IonQ и университеты работают над более крупными и надежными квантовыми компьютерами. Главная проблема — кубиты крайне хрупки: вибрации, свет, перепады температуры нарушают их состояние. Большинство квантовых компьютеров нужно охлаждать до температур ниже космических. Квантовые компьютеры, вероятно, не заменят ваш настольный ПК, но станут частью технологической революции, которая улучшит медицину, материаловедение и кибербезопасность. В ближайшее время они останутся специализированными исследовательскими инструментами, но через 10–20 лет начнут играть практическую роль в разных областях.
