Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

В XX веке (и в начале XXI столетия) у нас уже нет сомнений в том, что квантовая механика играет огромную роль в нашей жизни, хотя она оперирует масштабами гораздо меньшими, чем могут уловить наши органы чувств. Поскольку она так успешно объясняет явления субатомного мира, эта наука стала основой не только физики и химии, но и современной электроники. Например, понимание квантовых законов, объясняющих, как электроны ведут себя в полупроводниках, заложило основы мира современных технологий. Без полупроводников мы не создали бы транзистор, а позже – микрочип и компьютер. А миниатюрный суперкомпьютер, который мы всюду носим с собой (наш смартфон) и без которого многие чувствуют себя совершенно потерянными, просто набит электронными чудесами, и все это невозможно без квантовой механики. То же относится к давно знакомым нам приборам вроде современных светодиодов и датчиков дыма, ну и, конечно, интернета. И действительно, вся телекоммуникационная промышленность основана на технологическом применении квантовой механики в таких приборах, как лазер и оптический усилитель. И ни одна современная больница не обойдется без МРТ, ПЭТ и КТ, а также лазерной хирургии.

А ведь квантовая революция еще только началась. В ближайшие десятилетия мы увидим море технологических чудес, разработанных на основе современных достижений квантовой физики, таких как умные и топологические материалы. Возьмем графен, например: один-единственный слой атомов углерода с шестиугольной кристаллической структурой. В зависимости от того, какой он формы и что с ним делают, графен работает то как изолятор, то как проводник, а иногда даже как полупроводник.

Более того, последние исследования позволяют предположить, что два слоя графена, развернутые под определенным углом друг к другу, могут при определенных условиях, при низкой температуре и слабом электрическом поле, вести себя как суперпроводник, по которому ток идет практически без всякого сопротивления, – еще один поразительный квантовый феномен. Эта технология, известная как твистроника, как считается, даст толчок развитию целого ряда электронных приборов.

И это еще не все. Сейчас разрабатываются проборы и технологии нового поколения, которые получат широкое распространение еще при нашей жизни, – приборы, которые смогут создавать необычные состояния материи и манипулировать ими неким новым образом за счет применения разных квантовых ухищрений. Успехи в таких областях, как квантовая информационная теория, квантовая оптика и нанотехнологии, позволят создать целый ряд таких приборов. Например, высокоточный квантовый гравиметр позволит регистрировать мельчайшие изменения гравитационного поля Земли, так что геологам будет проще обнаружить залежи полезных ископаемых, а инженерам – точно установить местоположение трубопровода под дорожным полотном: копать не придется! Квантовые камеры, снабженные датчиками, дадут нам возможность увидеть, что находится позади препятствий; квантовая визуализация даст неинтрузивное отображение мозговой деятельности, что позволит лечить, например, деменцию. Квантовая ключевая дистрибуция (ККД) позволит безопасно обмениваться информацией между различными локациями. Квантовые технологии также помогут создать искусственные молекулярные машины, способные выполнять самые разнообразные задачи.

Медицина – прекрасный пример той области, где в ближайшее время будут применены открытия квантового уровня. В масштабах более мелких, чем живая клетка, мы разрабатываем целый ряд потрясающих новых технологий, например, на основе наночастиц с уникальными квантовыми свойствами, которые позволяют им прикрепляться к антителам, чтобы бороться с инфекциями, или дадут возможность «запрограммировать» их на реплицирование только внутри клеток опухолей или даже получать изображения клетки изнутри. Кроме того, квантовые датчики позволят нам производить гораздо более точные измерения и получать изображения отдельных биомолекул. А с помощью квантовых компьютеров, о которых мы поговорим в следующей главе, мы сможем секвенировать ДНК гораздо быстрее, чем теперь, а также решать некоторые задачи, предполагающие использование больших данных, касающихся всех аспектов состояния нашего здоровья, вплоть до молекулярного уровня.

А на самом деле их тысячи – примеров технологических и инженерных прорывов в области коммуникаций, медицины, энергетики, транспорта, визуализации и сенсорных технологий, которые появятся благодаря физике. Однако одна область заслуживает отдельного рассмотрения.

Квантовые компьютеры и наука XXI века