Сто лет назад квантовая механика представляла собой радикальную концепцию, ставившую в затруднительное положение даже самых выдающихся ученых. Сегодня она служит основой технологий, которые формируют нашу повседневность: от лазеров и микрочипов до квантовых компьютеров и защищенных систем связи.
В новой обзорной статье, опубликованной в журнале Science, доктор Марлан Скалли, профессор Техасского университета A&M и Принстонского университета, проследил развитие квантовой механики от её странных истоков до современной роли в решении сложнейших научных задач.
«Квантовая механика начиналась как способ объяснить поведение крошечных частиц, — говорит Скалли. — Теперь она становится источником инноваций, которые были немыслимы еще одно поколение назад».
Когда Эрвин Шредингер в 1935 году предложил свой известный парадокс с котом, который одновременно жив и мертв до момента наблюдения, это должно было продемонстрировать странность квантовой теории. «Эта “квантовая странность” больше не просто философская головоломка, — отмечает Скалли. — Она стала основой квантовых вычислений, квантовой криптографии и даже детекторов гравитационных волн».
Одним из самых революционных понятий является квантовая когерентность — свойство частиц, таких как атомы и фотоны, сохранять связь и действовать согласованно, даже находясь на значительном расстоянии друг от друга без воздействия окружающей среды. Этот принцип стал основой для лазера — технологии, которую когда-то считали невозможной. В настоящее время лазеры используются повсюду: в сканерах штрих-кодов, при операциях на глазах, в передовых научных исследованиях.
Квантовая когерентность также позволяет реализовать квантовую запутанность — явление, которое Альберт Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». Запутанность дает возможность частицам обмениваться информацией независимо от расстояния между ними и лежит в основе квантового шифрования, а также улучшает чувствительность инновационных инструментов — таких как детектор LIGO, который фиксирует колебания в пространстве-времени.
Но, возможно, самое удивительное применение таких технологий — квантовые тепловые двигатели. Классические двигатели имеют ограничения, установленные пределом Карно — максимальной эффективностью, определяемой термодинамикой. Однако, используя квантовую когерентность, физики способны создавать двигатели, которые превышают этот предел. «Это яркий пример того, как квантовые принципы могут изменить правила классической физики», — подчеркивает Скалли.
