След 100 години от старта на квантовата механика задава ли се нова революция?

Преди сто години, на тих, скалист остров, немският физик Вернер Хайзенберг стартира поредица от научни разработки, които ще засегнат почти цялата физика. Там Хайзенберг разработва рамката на квантовата механика. По онова време квантовата теория е просто свободна колекция от идеи за особеностите на физиката в мащаба на атомите.

През юни 1925 г. 23-годишният Хайзенберг се уединява на остров Хелголанд, търсейки облекчение от тежък пристъп на сенна хрема. С оскъдния цветен прашец в морския бриз, островът, на 60 километра от бреговете на Германия, е бил лечебно убежище. Той се е оказал и място без разсейване, където човек може да размишлява върху мистериите на атомите.

Рано една сутрин Хайзенберг получава прозрение.

"Имах чувството, че през повърхността на атомните явления гледам странно красива вътрешност и се почувствах почти замаян от мисълта, че сега трябва да изследвам това богатство от математически структури, които природата толкова щедро е разпростряла пред мен", разказва той по-късно. "Бях твърде развълнуван, за да спя, и затова, когато се зазори нов ден, се отправих към южния край на острова, където копнеех да се изкача на скала, стърчаща в морето. Сега го направих без особени проблеми и зачаках слънцето да изгрее.

Физиците сега гледат към зората на нова квантова ера. Работата на Хайзенберг и неговите съвременници променя начина, по който учените разбират материята, и довежда до нови технологии, основани на това разбиране. Настоящите изследвания – това, което някои наричат ​​втората квантова революция – включват ново ниво на прецизен контрол върху квантовите системи, включително изграждането им от нулата и използването им при необходимост. Учените подчиняват квантовите системи на волята си, за да развият технологиите по-нататък и да разкрият тайните на Вселената.

Тази революция е колективно усилие на физици от цял ​​свят, които разширяват различни квантови граници. По същия начин, първата квантова революция не е била вдъхновение на един човек. Романтичният и може би разкрасен разказ на Хайзенберг е само малка част от историята за раждането на квантовата механика.

След завръщането си от Хелголанд, Хайзенберг обсъжда идеите си с други физици, преди да публикува известна със своята загадъчност статия през юли същата година. По-късно физиците Макс Борн и Паскуал Джордан кристализират математическите изчисления в статия, представена през септември, и в друга, в сътрудничество с Хайзенберг, през ноември. А физикът Ервин Шрьодингер публикува своя собствена влиятелна квантова рамка през 1926 г., която ще се окаже математически еквивалентна на тази на Хайзенберг. Тези и много други автори превръщат объркващата смесица от квантови ефекти в стройна математическа рамка.

Влиянието на квантовата механика върху физиката е огромно.

"Теорията е... изследвана, разработена и приложена към впечатляващо разнообразие от явления и представлява нашето основно текущо разбиране за природата на физическата реалност", заявява физикът Карло Ровели (Carlo Rovelli) от Центъра за теорическа физика към университета Екс-Марсилия във Франция. "Тя е обяснила явления, вариращи от основите на химията до цвета на обектите, от процесите, които пораждат слънчевата светлина, до образуването на галактики."

Квантовата механика е в основата и на безброй технологии, включително лазери, транзистори, които са неразделна част от смартфоните и друга миниатюрна електроника, слънчеви панели, светодиоди, ядрено-магнитен резонанс и атомните часовници, които правят възможна GPS навигацията.

За да дадат тласък на тази втора квантова революция, учените трябва да впрегнат някои от най-завладяващите аспекти на теорията: суперпозицията и вплитането.

В квантовата механика позициите, скоростите и други качества на частиците се описват с вероятности, а не със сигурност. Това означава, че частиците могат да бъдат пръснати в странно състояние, наречено суперпозиция. Например една частица може да бъде намерена на едно място или на съвсем друго – ситуация, често разговорно описвана като да се намираш на две места едновременно. Хипотетична котка в суперпозиция на жива и мъртва, известна като котката на Шрьодингер, подчертава изключителната особеност на тази концепция.

Вплитането е друг шедьовър, при който съдбите на две частици са преплетени, а свойствата им са свързани по начин, невъзможен в класическата физика. Измерването на една частица във вплетена двойка мигновено разкрива състоянието на друга, дори ако са разделени от голямо разстояние.

Чрез подобряване на способността си за прецизно манипулиране на суперпозицията и вплитането, физиците изграждат техниките, необходими за конструирането на сложни устройства като квантовите компютри, които биха могли да позволят нови видове изчисления, невъзможни със стандартните класически компютри. По подобен начин квантовите сензори започват да дават възможност за нови видове измервания, а квантовите комуникационни мрежи обещават по-сигурни начини за предаване на информация.

Тази революция кара учените да се доближават до някои от големите мистерии на квантовата физика, като например дали има фундаментално ограничение за това доколко квантовите ефекти могат да се усилят и ако е така, къде се намира разделителната линия между квантовата и класическата механика. Те също така изследват как квантовата механика може да се слее с Общата теория на относителността - теорията за гравитацията на Айнщайн.

Представяме ви интервюто на Science News с петима физици, които се опиват да разширят границите на квантовата наука, за да разберем техните виждания за състоянието на квантовата наука. Тези интервюта са редактирани и съкратени за по-голяма яснота.

Кредит: НаукаOFFNews

Оразмеряване на суперпозицията 

Колкото по-голям е един обект, толкова по-трудно е за него да запази квантовите свойства. Взаимодействията с околната среда могат да разрушат крехката му квантова същност и да го върнат обратно в нормалността. Подобрените техники за изолиране на по-големи обекти позволяват на изследователите да увеличат мащаба – дори до гранични макроскопични обекти. Някои физици смятат, че има твърда граница за това докъде може да стигне това уголемяване, други смятат, че то може да продължи безкрайно.

Физикът Иуън Чу (Yiwen Chu) от ETH Цюрих и колегите му през 2023 г. поставят вибриращ сапфирен кристал с масата на около половин мигла в "котешко състояние" – суперпозиция, подобна на котката на Шрьодингер. Това е най-масивното котешко състояние, създавано някога. Тук суперпозицията е в движението на атомите на кристалите - сякаш те се движат едновременно в две посоки.

От какво се вълнувате сега?

Чу: Разглеждаме нови физически платформи за създаване на квантови сензори и квантови процесори. Вълнувам се от използването на тези системи за тестване на някои фундаментални физични принципи. Квантовата механика работи наистина добре за много неща, но все още има толкова много неща, които не разбираме.

Кои са някои от тези въпроси?

Чу: Приложима ли е квантовата механика към макроскопични обекти в ежедневието ни? Този въпрос съществува от ранните дни на квантовата механика. Показахме, че тези – бихте могли да ги наречете макроскопични – кристали всъщност могат да се държат квантово механично. Така че въпросът е докъде можем да стигнем? Не знам дали някога ще стигнем до нивото на "котка" в кариерата си. (И може би не трябва да е котка – това вероятно няма да се хареса на котката) Но нещо наистина сложно и макроскопично, ако можем да видим квантово-механичното поведение на това, мисля, че би било супер вълнуващо и би отговорило на този въпрос, който съществува от толкова дълго време.

Какво друго планирате да правите с тези устройства?

Чу: Насочваме се към използването на тези системи като детектори при измервания на гравитацията или други сили. Ако една много слаба гравитационна вълна удари този обект, тя би възбудила вибрации. И тогава, ако можем да я засечем, бихме могли да кажем: "О, нещо е минало, може би гравитационна вълна." Тези устройства биха се използвали за откриване на гравитационни вълни на много по-високи честоти, отколкото, да речем, Лазерната интерферометричната гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO), която откри първите гравитационни вълни.

Кредит: Aalto University

Тестване на квантовата гравитация

Мащабирани квантови устройства, като тези на Чу, също така предоставят възможност да се тества как квантовата механика взаимодейства с Общата теория на относителността. Двете теории са несъвместими една с друга и разрешаването на този сблъсък е начело в списъка с належащи проблеми на много физици. Влатко Ведрал (Vlatko Vedral) от Оксфордския университет е един от физиците, стоящи зад предложението за тестване на гравитацията за квантови ефекти. Тестът изисква създаване на суперпозиция с обект с достатъчна маса, че неговата гравитация да привлича друг обект в суперпозиция. Това би могло да доведе до вплитане на двата обекта, единствено поради гравитационното им взаимодействие. Потвърждаването или опровергаването на този ефект би разкрило дали гравитацията е квантова.

Какво е толкова завладяващо в тестването на квантовата гравитация?

Ведрал: Тестването на квантовата природа на гравитацията е напълно открит проблем. Предполагам, че в следващите пет до десет години най-много ще нарушим Общата теория на относителността. Гравитацията ще се окаже квантово-механична - това е моят залог. Но знам, че има някои сериозни противници на тази гледна точка. Това вече показва, че ще е изключително интересен експеримент, защото има огромно несъгласие относно това какво да очакваме.

Как бихте извършили този тест?

Ведрал: Взимате два масивни обекта и поставяте всеки от тях в суперпозиция, при която се намира в две различни състояния, на две места едновременно. Ако гравитацията е квантово-механична, всяко от тези състояния ще се свърже гравитационно с всяко от другите състояния. По принцип ще имате четири взаимодействия, протичащи едновременно. Това би било моето предсказание и това би било предсказанието на квантовата гравитация. Някои хора обаче вярват, че гравитацията ще принуди тези суперпозиции да колапсират и да преминат в едно окончателно състояние. И точно за това е предназначен експеримента да тества.

За мен това е може би най-вълнуващият експеримент във физиката, защото вече сто години имаме огромни успехи, както в квантовата механика, така и в Общата теория на относителността. Но сега можем да проверим дали ще има отклонение в областта, където и двете наистина имат значение.

Какво е необходимо, за да се изпълни?

Ведрал: Води се състезание; мисля, че има три или четири екипа, които се опитват да реализират това предположение. Нужен е достатъчно масивен обект. Грубите изчисления предполагат нанограм. Това е много труден експеримент.

Термодинамиката става квантова

Не само гравитацията се смесва с квантовата физика. Същото важи и за термодинамиката, която управлява двигателите, топлината и ентропията - мярка за безпорядък. Изучаването на квантовата термодинамика би могло да предложи начини за създаване на машини с повишена ефективност чрез използване на квантовите принципи. Физикът Маркус Хубер (Marcus Huber) от Института за квантова оптика и квантова информация във Виена работи в тази област, както и върху квантовата комуникация. Това е техника, която използва квантови правила за сигурно изпращане на информация и вече се демонстрира извън лабораториите.

Какво е текущото състояние на квантовата физика?

Хубер: Аз съм ентусиазиран, защото отговорите на въпросите стават все повече експериментално достъпни. Притеснявам се обаче. Хората са осъзнали огромния търговски потенциал на квантовите технологии. И с това признание идват мошениците, прекалените продажби и машината за реклама, която прави лоша услуга на фундаменталната наука и изследвания. И с това признание идва геополитическият аспект, където изведнъж квантовите технологии и изследвания стават обект на интерес на националната сигурност. Вместо учените безпрепятствено да изследват Вселената заедно, те започват да представят всички тези фундаментални научни въпроси от гледна точка на геополитическо предимство.

Кои са някои от по-легитимните приложения на хоризонта?

Хубер: Много легитимни приложения биват заглушени от шума. Първо, прецизните измервания ще бъдат полезни: На прага сме на изграждането на по-точни часовници, по-чувствителни сензори. Тези неща не получават толкова медийно внимание. След това, разбира се, в квантовата комуникация, по отношение на поверителността и сигурността на данните, приложенията са много напреднали. Имаме технологичните възможности да имаме криптирана и сигурна комуникация между всякакви две точки. Разбира се, голяма част от това вече е възможно с класически средства. Тази допълнителна сигурност е срещу много целенасочени атаки или срещу бъдещи квантови изчислителни устройства.

Какви квантови експерименти очаквате с нетърпение да видите в бъдеще?

Хубер: Един от големите въпроси пред нас, е за фундаменталните граници на отчитането на времето. Съществува стара идея за термодинамичната стрела на времето, която по същество ни казва, че начинът, по който мога да накарам часовник да тиктака, е чрез увеличаване на ентропията на Вселената. От класическа гледна точка има много точна зависимост, показваща, че колкото по-прецизен или по-точен искате да направите часовник, толкова повече ентропия трябва да се разсее. Теорията показа, че квантовите часовници могат да бъдат експоненциално по-ефективни. Изследвахме това като фундаментален въпрос: Каква е фундаменталната цена на това да оставим часовника да тиктака? Но ме вълнува и отговорът за евентуални експерименти, защото би могло да бъде полезно да създадем безумно енергийно ефективни часовници.

Кредит: DeviantArt CC BY-NC 3.0

Да сложим квантовата биология на картата

Физикът Кларис Айело (Clarice Aiello) има мисия да накара учените да приемат квантовата биология сериозно. Идеята, че квантовите ефекти са важни за живите същества, е предложена в няколко специфични области: квантовата механика може да играе роля във фотосинтезата, а птиците може да използват квантов компас, за да усещат магнитни полета.

Но Айело от Института по квантова биология в Лос Анджелис иска да отиде отвъд тези примери. Тя се е хванала за въздействието на слаби магнитни полета, като това на Земята. Тъй като това поле е толкова слабо, ефектът му върху живите същества може да бъде труден за обяснение с класически средства. Но има потенциал тези ефекти да бъдат обяснени с концепция, наречена суперпозиция на електронния спин. Квантовото свойство на спина кара електрона да действа като малък магнит. Ако ориентацията на този магнит е в суперпозиция на посоките, това може да доведе до определени химични реакции, които са чувствителни към малки магнитни полета.

Айело започва от основите, като се стреми да покаже значението на магнитното поле на Земята за живота, преди да определи причината. Един от последните експерименти на нейния екип показва, че поповите лъжички, екранирани от магнитното поле на Земята, се развиват по-бързо.

Какво би могло да причини ефекти на магнитното поле в биологията?

Айело: Най-вероятното обяснение е химическа реакция, която зависи от суперпозициите на електронните спинове. Ако ефектите на магнитното поле в биологията се обясняват с този тип феномен, това означава, че суперпозициите на електронните спинове оцеляват в клетките достатъчно дълго, за да бъдат функционални. Колкото по-слабо е полето, което искате да усетите, толкова по-дълго трябва да оцелеят тези суперпозиции на електронните спинове с тяхната квантова стойност. Например, за да се усети магнитното поле на Земята, това са около 750 наносекунди.

Какъв е смъртоносният експеримент, който се надявате да направите?

Айело: Искаме да вземем клетка на стайна температура, да се научим как да "разговаряме" със спиновете, които са релевантни, вътре в съответните протеини и да измерим колко дълго траят тези спинови суперпозиции. Ако вземем клетка на попова лъжичка и установим, че суперпозициите на електронните спинове са живи вътре в клетките само за 100 наносекунди, тогава вероятно не сме улучили това, което медиира поповите лъжички, усещащи магнитното поле на Земята. От друга страна, ако открием, че квантовата сила на суперпозицията е жива за две микросекунди, тогава изведнъж добива достоверност идеята, че е възможно суперпозицията на електронните спинове да медиира чувствителността на поповите лъжички към изместването на магнитното поле на Земята.

Как се приема работата ви досега?

Айело: Има проблем с комуникацията. Опитваме се да кажем на хората, че не става въпрос само за жаби; има доказателства, че това е вярно и за мухи, червеи, бактерии. Не мисля, че биологичната общност разбира това. Ето защо се застъпвам за квантова грамотност, защото ако всеки със средно образование имаше малко квантови познания, може би ще имаме повече биолози, които биха могли да направят връзката между биологията и квантовата механика или материалознанието и квантовата механика. Трябва да имаме хора, които да осъзнаят как квантовата механика се преплита с много други дисциплини.

Квантов компютър. Кредит: Wikimedia Commons

Да накараме квантовите компютри да работят

Квантовите компютри са може би най-популярните от всички квантови технологии. Те функционират на базата на квантови битове или кубитове. Тези чувствителни устройства могат да бъдат направени от различни материали, от малки парченца силиций до отделни атоми. Те извършват изчисления подобно на стандартните битове в класическите компютри, но са проектирани да използват правилата на квантовата механика за изчисления. Кубитовете са толкова чувствителни, че са склонни към грешки. Перспективата на квантовите изчисления се основава на това учените да разработят начини за отстраняване на тези грешки, разказва Барбара Терхал (Barbara Terhal), физик в QuTech в Делфт, Холандия. Техника, наречена квантова корекция на грешки, комбинира множество кубита, склонни към грешки, за да създаде по-надежден, "логичен" кубит. Учените наскоро демонстрираха редица важни етапи към квантовите компютри с коригирани грешки.

Защо се нуждаем от квантова корекция на грешките?

Терхал: Без корекция на грешки не можем да изградим квантов компютър. Не бих казала, че експериментите, които се правят в лабораториите в момента, са квантови компютри. Това, което аз наричам компютър, е надеждна машина, която може да събира големи числа и т.н. Корекцията на грешки позволява изграждането на надеждни компютри, които могат да бъдат интересни за приложения в дългосрочен план.

Но това е нещо повече. Това е и просто фундаментално допълнение към нашето разбиране за физиката. Квантовата корекция на грешките ни казва, че ако много внимателно контролираме тези квантови системи, можем да имаме макроскопично квантово поведение, защото това са логически кубити и те работят според законите на квантовата механика.

В какъв смисъл логическите кубити са макроскопични?

Терхал: Традиционната трудност при създаването на суперпозиция на жива и мъртва котка няма много общо с точния размер на котката. По-скоро поради размера си, котката се състои от много "степени на свобода". Това е характеристика на много макроскопични системи, съставени от много атоми. Опитваме се да изградим нещо, което има много степени на свобода, но всеки физически кубит е доста добре контролиран и наблюдаван за грешки. Така че в този смисъл получаваме квантово поведение в макроскопичен мащаб. Не става въпрос буквално за размер.

Все още ли има скептици, които не са убедени, че надеждните квантови компютри са възможни?

Терхал: Винаги ще има скептици. Забавно е в квантовите изчисления, защото са смесица от тотална свръхреклама, от хора, които не знаят абсолютно нищо, и от скептични хора. Добре е да си скептичен. Защото при всяко мащабиране може да се появят нови проблеми. Но няма теорема, която да казва, че няма да е възможно, и тъй като такава не съществува, трябва да се опита. Ще се сблъскаме с ограниченията, когато се появят, и това ще бъдат интересни предизвикателства за преодоляване.

Какво мислите, че предстои през следващите 100 години квантова физика?

Терхал: Може би квантовите идеи ще са се разпространили по-нататък, в смисъл, че ще станат общ език. Или може би ще сме построили квантов компютър или квантовоподобни компютри. Вероятно ще има нови теории, които няма да направят други теории напълно погрешни, но ще разширят приложимостта на това, което имаме в момента. Преди изобретяването на квантовата механика хората са си мислили, че във физиката няма почти нищо повече, което да се открива. А сега чувстваме, че може би трябва да обединим квантовата механика и гравитационните сили, и освен това е донякъде готова. Това може би не е правилно. Това е малко прекалено наивно.

Справка: 

1. R. Dahn. Demythologizing quantum history. Physics Today. Vol. 78, April 1, 2025, p. 38. doi: 10.1063/pt.assl.oxzd.
2. Google Quantum AI and collaborators. Quantum error correction below the surface code threshold. Nature. Vol. 638, December 9, 2024, p. 920. doi: 10.1038/s41586-024-08449-y.
3. A. Lodesani et al. Weak magnetic field effects in biology are measurable—accelerated Xenopus embryogenesis in the absence of the geomagnetic field. bioRxiv.org October 16, 2024. doi: 10.1101/2024.10.10.617626.
4. M. Bild et al. Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator. Science. Vol. 380, April 21, 2023, p. 274. doi: 10.1126/science.adf7553.
5. I.H. Deutsch. Harnessing the power of the second quantum revolution. PRX Quantum. Published online November 13, 2020. doi: 10.1103/PRXQuantum.1.020101.
6. C. Marletto and V. Vedral. Gravitationally induced entanglement between two massive particles is sufficient evidence of quantum effects in gravity. Physical Review Letters. Vol. 119, December 15, 2017, 240402. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.240402.

Източник: As quantum mechanics turns 100, a new revolution is under way, Science News 

Още по темата

30/04/2025

Физика

Може ли допълнително времево измерение да съгласува квантовото вплитане с локалната причинно-следствена връзка?

02/08/2024

Човекът

Нервните влакна в мозъка могат да генерират квантово вплитане

11/01/2024

Космос

Изследователи демонстрират, че квантовото вплитане и топологията са неразривно свързани

09/02/2023

Технологии

Как работят квантовите компютри. Основни положения