Лазерный мир

Вы что-нибудь слышали о квантовой революции? А, между тем, она триумфально шагает по планете, до неузнаваемости меняя облик нашей цивилизации. О том, что такое квантовые технологии и в каком виде они приходят в жизнь обычного человека, в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” говорили радиожурналист Мария Баченина, академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) и их гость Николай Николаевич Колачевский, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, директор Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.
 
 -. Меня восхищает это название — квантовая революция. Это звучит так гордо! А что это такое?
 
 Николай Колачевский:
 
 — Квантовая революция — это те изменения, которые привели к существенной трансформации нашего уклада жизни. Они настолько глубоко вошли в повседневный быт, что мы не очень это осознаем, но, например, вся коммуникация по интернету осуществляется с помощью лазерных источников. Новая химия и новые материалы, лекарства, магнитные диски, управление квадрокоптерами — все это чисто квантовые истории.
 
 Александр Сергеев:
 
 — Действительно, мы воспринимаем квантовые явления, как что-то относящееся к микромиру. Но поскольку это все сейчас появляется в нашем макромире, появился термин – квантовая макрофизика. Это означает, что внутри лежат квантовые эффекты, но мы их просто используем в быту.
 
 Мария Баченина:
 
 — О, как интересно! А правда ли, что первая квантовая революция, которая определила развитие физики в XX веке, стала предпосылкой для появления ядерного оружия? Ну ладно не только ядерка: транзисторы, лазеры, мобильная телефония, связь, интернет…
 
 Николай Колачевский:
 
 — Все, что вы перечислили, действительно, результат чрезвычайно бурных достижений физики в период середины ХХ века. Мы до сих пор не знаем, исчерпали ли мы эти возможности до конца, или нам надо делать следующие шаги.
 
 ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ
 Мария Баченина:
 
 — С чего началась квантовая физика?
 
 Николай Колачевский:
 
 — Самый простой пример – это фотоэффект. Одна из ярких и очень интуитивно понятных демонстраций. Фотоэффект до последнего времени был в ЕГЭ, а потом его из ЕГЭ убрали, чтобы не перегружать наших бедных 11-классников. Между прочим, за фотоэффект Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Что это такое? Допустим, есть материал, мы его освещаем светом с определенной длиной волны, определенного цвета. Берем красный свет, он никак не действует на поверхность вещества. Переходим к зеленому — опять ничего не происходит. Светим синим — и тут начинают лететь электроны. Это сугубо квантовый эффект, поскольку, чтобы оторвать электрон от поверхности металла, нужна определенная энергия светового кванта. Это один из первых наиболее наглядных экспериментов, когда на пальцах можно показать квантовость окружающего мира.
 
 Александр Сергеев:
 
 — Где именно квантовая физика впервые показала свою мощь в плане практического приложения?
 
 Н. Колачевский:
 
 — Ядерная физика — это одно из направлений квантовой физики. Появление лазеров — это абсолютно однозначное проявление квантовости света. Правда, это гораздо позже фотоэффекта возникло. Лазеры все-таки появились уже в 70-х годах прошлого века, на несколько десятилетий позже.
 
 Александр Сергеев:
 
 — Освоение ядерной энергии в мирных и в военных целях, наверное, по масштабу это было очень мощное явление. Атомные станции, дают 20 % электричества в нашей стране. Ядерная энергетика признана самой перспективной. Это уже часть нашего повседневного пейзажа. Поэтому мы не задумываемся над тем, что лежит внутри этих процессов, которые нам дают энергию. А в основе лежит квантовая природа ядерных реакций — деление, реакция синтеза.
 
 КАК БУДЕТ ВЫГЛЯДЕТЬ ОРУЖИЕ БУДУЩЕГО
 Мария Баченина:
 
 — А могут ли люди помощью продвинутых квантовых технологий придумать какое-то невиданное оружие?
 
 Александр Сергеев:
 
 — Оружие будущего — это очень интересная история. Потому что, когда мы говорим “оружие”, особенно ядерное, мы предполагаем, какой-то взрыв, концентрацию некой энергии. Но есть же другое оружие — например, искусственный интеллект. Если объединить возможности квантов и создать квантовый искусственный интеллект, то это может быть сильнейшим оружием. Но оно будет действовать не за счет взрывной энергии, — его воздействие будет постепенным.
 
 Николай Колачевский:
 
 — Действительно, информационное оружие иногда гораздо страшнее, чем оружие физического воздействия. Мы это на себе уже испытываем. Как это ни печально, но жулики, которые нас терроризируют по интернету, нанося гражданам убытки, исчисляемые многими миллиардами рублей — это же тоже достижение квантовой революции. От цыган, которые раньше выманивали деньги на улице, мы перешли к телефонным звонкам и «безопасным счетам». Если сюда еще подключить искусственный интеллект, последствия могут быть катастрофическими. Но это, наверное, не самое страшное. Все это померкнет, если будет создано генетическое оружие — мечта всех темных сил последних столетий. Если будут созданы какие-то селективные болезни, селективные препараты, которые будут действовать по расовому или национальному признаку. А надо сказать, что все взаимодействия внутри молекул это сугубо квантовое взаимодействие. Сегодня описывать их очень тяжело даже с помощью суперкомпьютеров, но я думаю, что генетическое оружие — это одна из угроз завтрашнего дня.
 
 
 Мария Баченина:
 
 — Это оружие против определенного этноса, национальности — действительно темные силы уже работают над ним?
 
 Николай Колачевский:
 
 — Работают в том или ином виде, и уже не одно десятилетие. Мир так устроен. Исправление генома, повышение продолжительности жизни, борьба с онкологией с помощью генетических методик. У всех этих исследований наверняка присутствует и обратная сторона медали.
 
 Александр Сергеев:
 
 — Я думаю, что любопытство ученых, помноженное на рыночную экономику — это как раз та взрывная сила, которая может быть использована всякими темными силами. Если говорить о медицинской генетике, сейчас появились очень серьезные результаты по лечению разных наследственных заболеваний. Эксперименты в направлении евгеники (улучшения качеств человека — Ред) тоже наверняка ведутся в различных лабораториях. А дальше — вопрос: как это будет использовано? И кем? С одной стороны, это развивается под флагом борьбы с различными медицинскими проблемами. Но ведь дальше эти научные достижения можно развернуть в другом направлении. Поэтому регуляторика этих исследований должна быть на очень серьезном международном уровне.
 
 ГАРРИ ПОТТЕР И ПЛАТФОРМА 9 И 3/4
 Мария Баченина:
 
 — Квантовая механика говорит, что если мы будем теннисный мячик кидать об стену, то при определенных условиях он сквозь эту стену пролетит. Но ведь это совершенно не укладывается в голове. Просто невозможно понять! Как же обычному человеку можно верить в такие фантастические вещи вроде квантовой телепортации?
 
 Александр Сергеев:
 
 — Мария, не вы одна в этой студии испытываете трудности с пониманием квантовых механизмов. Некоторые вещи настолько несовместимы с нашими обычными представлениями об окружающем мире, что их можно объяснить только с помощью уравнений. Вывести их из нашего жизненного опыта просто невозможно. Законы квантового мира таковы, что аналога им в нашем макромире не существует.
 
 Николай Колачевский:
 
 — Есть высказывание одного американского физика по поводу квантовой механики, которое в переводе звучит как «заткнись и вычисляй». Действительно, некоторые постулаты в квантовой механике, например, понятие волновой функции или перепутанное состояние, получаются в результате очень даже простых математических упражнений. Но они настолько непонятны для человеческого мозга, что сам Эйнштейн с этим боролся, поскольку считал надувательством. Потребовалось очень много лет, чтобы те идеи квантовой механики, которыми мы сегодня пользуемся, были приняты и вошли в программы университетских курсов. Десятки лет среди ученых шли горячие споры. Эта пресловутая квантовая телепортация, квантовая запутанность, которая сегодня лежит в основе квантовых вычислений — ничего из этого Альберт Эйнштейн не воспринимал. Даже принцип суперпозиции – когда условный кот Шредингера одновременно и жив и мертв — все это противоречило логике Эйнштейна. Он говорил, что Бог не играет в кости, что все должно быть предопределено и подчиняться определенным динамическим уравнениям. А на самом деле выяснилось, что природа абсолютно случайна в этом смысле. И это породило глубокие философские споры. Вы привели пример теннисным шариком. Если шарик большой — он не пролетит сквозь стену. Но, если вы начнете его уменьшать и сделаете очень легким, то в какой-то момент повысите вероятность того, что он через стену все-таки пролетит. И таких примеров очень много.
 
 Мария Баченина:
 
 — Ухватившись за этот пример, я могу предположить, что таким образом мы можем работать над машиной времени, над перемещением человека в пространстве. Над чем ведутся работы? Насколько далеко смелость может завести физиков?
 
 Николай Колачевский:
 
 — Наверное, самый наглядный прямой пример — квантовая передача информации. Это полностью защищённые каналы связи, по которым с помощью одиночных фотонов шифруется и передается информация. Причем достоверно доказано, что подслушивать, подглядеть или скопировать эту информацию невозможно. Согласен, это звучит не так же фантастично, как проход сквозь стену платформы 9 и ¾, как у Гарри Поттера. Но это сегодня уже работает

 в России и очень востребовано, как государством, так и большим бизнесом.
 
 СИСТЕМА ТОЧНОГО ВРЕМЕНИ И КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР
 Александр Сергеев:
 
 — Очень интересной тематикой является задача точного определения времени. Мы привыкли к автомобильным навигаторам, Яндекс-картам, которые работают на основе систем спутниковой навигации GPS, ГЛОНАСС. А ведь это все базируется на системах точного времени. Что это такое? С 1967 года определение одной секунды – это интервал времени, который совершенно четко связан с абсолютно квантовым переходом электрона между двумя уровнями в атоме цезия. Вот вам пример квантового явления. И мы, совершенно не задумываясь, пользуемся результатом этого открытия в повседневной жизни. Кстати, Николай Николаевич – это человек, который был одним из руководителей нашей программы создания такого точного времени для системы ГЛОНАСС.
 
 
А сейчас идея, которая лежит в основе этой системы, оказалась исключительно важной для создания квантового компьютера. К навигации, к ГЛОНАССу мы уже привыкли, может быть со временем, когда будет сделан 200 или 500-кубитный компьютер, мы уже не будем воспринимать квантовые вычисления, как нечто потусторонее.
 
 Николай Колачевский:
 
 — Вы совершенно справедливо упомянули системы ГЛОНАСС, GPS. Мы этого не чувствуем, но физически находимся сегодня в трехмерном пространстве координат. Опыт последних лет показывает, что эта сетка очень уязвимая. Сейчас, по-хорошему, надо разрабатывать новую навигационную систему — суверенную, российскую, глобальную, которая будет использовать эту сетку, как вспомогательную. Здесь огромное пространство для использования квантовых сенсоров разного типа — магнитометры, гравиметры, и те же самые компактные часы…. Я думаю, что это тоже будет одним из проявлений второй квантовой революции. Это направление эволюционирует, оно не замерло, об этом говорят не только у нас, но и в других странах. Из него вытекло фактически направление квантовых вычислителей, квантовых компьютеров.
 
 Мария Баченина:
 
 — Россияне получали Нобелевские премии в области квантовых технологий?
 
 Николай Колачевский:
 
 — Гениальных ученых в России всегда хватало. Например, Петр Капица, который впервые экспериментально обнаружил сверхтекучесть в жидком гелии — а это типичное квантовое явление. Когда ты охлаждаешь атомы гелия, они начинают вести себя, как единое целое, теряется трение между поверхностью и гелием. Он начинает течь над поверхностью. Лев Ландау многое объяснил в теории сверхтекучести. Если ветку по нашим великим ученым продолжать, то необходимо вспомнить Виталия Гинзбурга, который сделал существенный вклад в теорию высокотемпературной сверхпроводимости. Это тоже фактически движение без трения, только проявляющееся в электрическом контексте. Работа Николая Геннадиевича Басова и Александра Михайловича Прохорова, связанная с теоретическими принципами мазерно-лазерной генерации — это тоже чисто квантовая наука. Правда, Нобелевские премии за сами изобретения лазера и мазера от нас ушли, но мы гордимся тем, что идеи и первые прототипы закреплены за нашими великими учеными.
 
 Есть, конечно, очень яркая Нобелевская премия Жореса Алферова. Тоже чисто квантовая история. Это то, чем мы сейчас пользуемся повседневно, допустим, лазерные указки. А чуть более сложное — это телекоммуникационные лазеры, по которым мы передаем информацию в интернете. Нобелевская премия по графену, хотя это не совсем российская премия, но ее получили наши соотечественники, выпускники Московского физико-технического института Гейм и Новоселов. Они создали уникальный однослойный двумерный материал, точнее, поняли, как его делать. Электроны ведут себя там совершенно по-другому, по сравнению с другими материалами, которые люди пытались до них выращивать. Это все тоже очень серьезная квантовая история.
 
 Читайте на WWW.KP.RU: https://www.kp.ru/daily/27682.5/5070796/