Як квантова фізика може змінити світ

Ліам Голл виріс на фермі в Австралії, був автомеханіком з постійно брудними від роботи руками, але останніми роками його кар’єра зробила несподіваний поворот.

Зараз він очолює відділ квантової біотехнології в CSIRO, національному науковому агентстві Австралії.

"У мене дивне минуле. Я завжди хотів бути механіком з ремонту дизельних двигунів. Займаючись цим деякий час, я захотів вивчати інженерією в університеті. Це познайомило мене з фізикою, а потім - із квантовою фізикою. Це було схоже на американські гірки", - каже він.

Читайте також:

Чи стане людина безсмертною і чого не можуть квантові комп'ютери. Фізик Мічіо Каку - про наближення нової ери

Теоретик "частинки Бога". Чоловік, який змінив наше розуміння Всесвіту

Вчені шукають загадкові примарні частинки, які стануть проривом у вивченні Всесвіту

Його команда розробляє технології для перевірки рівня заліза у пацієнтів, експериментуючи з мікросенсорами, виготовленими з крихітних шматочків алмазів розміром близько 50 нанометрів (приблизно в 1 000 разів тонше людського волосся).

Наявні методи вимірюють рівень білка під назвою феритин, який відповідає за зберігання заліза в організмі. Хоча моніторинг феритину є хорошим способом вимірювання рівня заліза, виміряти фактичний рівень заліза в білку було б точніше.

Дивіться: Чому квантові комп'ютери такі цікаві спецслужбам

Один зі способів це зробити - виміряти крихітні магнітні поля, які створює залізо. Але такий підхід має одну велику проблему.

"Магнітне поле зовсім крихітне і не піддається вимірюванню будь-якими традиційними магнітометрами чи мікроскопами", - пояснює Голл.

Однак мініатюрні квантові датчики доктора Голла можуть виявляти ці крихітні поля.

Він каже, що в майбутньому ця технологія зможе виявляти ранні ознаки будь-якої конкретної хвороби, зокрема моніторити певні гормони або білки, які можуть вказувати на рак.

"Перевага квантових систем завжди полягала в тому, що з ними можна досягти набагато кращої чутливості та легшої ідентифікації хімічних речовин за набагато менших витрат", - каже Голл.

Доктор Голл - один із багатьох інших вчених, що активно займаються розробкою квантових технологій. Науковці з Британії, Китаю, США та інших країн намагаються використати дивовижні властивості квантової механіки.

"Це одна з найперспективніших галузей Австралії, шанс створити нові ринки, нові програми", - каже головний науковий співробітник CSIRO, професор Бронвін Фокс.

Квантова механіка виникла на початку 20-го століття в результаті досліджень найменших об'єктів природи. Вчені вважають, що вона може розширити наше розуміння Всесвіту та вирішувати складні задачі з блискавичною швидкістю.

Спектр її застосування широкий - від досягнень у галузі екології та декарбонізації до кібербезпеки та нових ліків. Можуть бути молекули, які "з’їдають вуглець" і видаляють його з атмосфери, квантові батареї для живлення автомобілів, літаки, розроблені для зниження викидів, і транспортна логістика для зменшення заторів на дорогах.

Однією з цілей квантових досліджень є використання потужності субатомних частинок для зберігання та обробки даних.

Хоча звичайні обчислення зазвичай використовують біти (нулі та одиниці), квантові комп’ютери використовують кубіти (або квантові біти), які можуть існувати як нулі, одиниці або комбінації обох одночасно.

Саме тут відбувається найцікавіше - частинки можуть існувати в кількох станах одночасно (це називається суперпозицією), а також бути переплетеними (або сплутаними) одна з одною.

"Використовуючи цей принцип квантової суперпозиції разом з іншим явищем, відомим як квантова сплутаність, можна виконувати обчислення, які просто неможливі за допомогою звичайних комп’ютерів. Це відкриває можливість робити дивовижні обчислення, які можуть кардинально змінити світ", - каже професор Ендрю Дзурак з Університету Нового Південного Уельсу.

"Уявіть новий виток Covid або іншу жахливу пандемію. Щойно ви зрозумієте її молекулярну структуру, що можна зробити за допомогою експериментальних методів, ви підете до квантового комп’ютера та обчислите, як створити молекулу, яка цілеспрямовано атакує цей вірус", - пояснює він.

"Ви вирішите цю проблему за один день, а не за шість чи дев’ять місяців, які знадобилися найкращим біологічним і фармацевтичним умам планети, щоб створити вакцини від Covid", - додає науковець.

За словами доктора Мохаммеда Усмана, керівника групи Data 61, що працює в межах CSIRO, потужність квантових обчислень походить від природного феномена квантової сплутаності.

Його нелегко зрозуміти. Особливі частинки, часто фотони, можуть перебувати в двох місцях одночасно, але залишаються міцно пов’язаними, навіть якщо між ними немає фізичного зв'язку.

"Я б сказав, що ніхто в світі повністю не розуміє основ сплутаності", - чесно зізнається доктор Усман.

Чи може існувати квантовий інтернет? Цілком можливо. Дані можуть передаватись через оптичні волокна за допомогою частинок світла, що робить майже неможливим підслуховування чи злам.

У Чиказькому університеті побудували одну з найдовших у США квантових мереж. Її довжина - майже 200 км, і вона продовжує збільшуватися.

Девід Авшалом – професор молекулярної інженерії та фізики у Прітцкерівській школі молекулярної інженерії Чиказького університету. Він також є директором-засновником університетського центру Bloch Quantum Tech Hub, який планує створити 30 000 робочих місць у квантовій галузі до 2035 року та принести економіці 60 мільярдів доларів. Вони співпрацюють з експертами з Австралії, Індії, Японії, Нідерландів та Ізраїлю.

"Ми розширили можливості надсилання безпечних квантових повідомлень через багато кілометрів підземного волокна", - каже він.

"Але є значні проблеми, які потрібно подолати. У випадку квантових обчислень ми працюємо над підтримкою квантової когерентності, тобто збереженням квантової системи недоторканою; виправленням помилок, тобто виявленням та виправленням помилок, викликаних некогерентністю; і масштабуванням, тобто можливістю збільшити кількість кубітів у квантовій системі для вирішення більш складних проблем", - пояснює вчений.

Попереду - роки досліджень, але майбутнє, схоже, мчить до нас.

"Однією з ключових сфер досліджень нашої команди є квантовий штучний інтелект. Машинне навчання та штучний інтелект інтенсивні з точки зору обчислень, квантові обчислення обіцяють більшу обчислювальну потужність", - каже доктор Усман з CSIRO.

"Наприклад, безпілотні автомобілі або дрони, що літають на полях битв зі смертоносною зброєю. Чи можемо ми довіряти штучному інтелекту? Ми виявили, що інтеграція квантових обчислень у штучний інтелект призводить до надійних систем, вартих довіри", - пояснює він.

"Моя мрія - доступні великомасштабні квантові комп’ютери, щоб можна було запускати квантові алгоритми, які я розробляю, щоб знайти вирішення проблем, які ми ще не знайшли, - і це революціонізує все".