Наука, що ламає ваш мозок. Що таке квантова фізика, чи існує мультивсесвіт і чи можлива телепортація

Засади квантової фізики звучать так, ніби це магія, або їх вигадали наукові фантасти. "Живомертвий" кіт у коробці, телепортація, частинки, які "відчувають" одна одну на відстані сотень кілометрів і перебувають в кількох станах одночасно.

Насправді це не вигадка, а реальна частина нашого світу. Та чи дійсно вона настільки загадкова? Ми вирішили в цьому розбиратися.

Що таке суперпозиція і квантова заплутаність? Живий чи мертвий кіт Шредінгера? Чи зможемо ми колись подорожувати в часі? Чи існують квантове безсмертя й телепортація? Чим квантова музика відрізняється від звичайної? Як працюють квантові комп'ютери й чому ми ними досі не користуємося щодня?

Про це ми поговорили з докторкою фізико-математичних наук, професоркою Львівського національного університету імені Івана Франка, дослідницею в галузі квантової фізики та лауреаткою премії "УП 100. Сила жінок" Христиною Гнатенко.

Хочете зрозуміти квантову фізику? Відкладіть свої знання про класичний світ в уявну шафку та спробуйте усвідомити все з нуля. Але попереджаємо: може знадобитися трохи часу і терпіння.

Що треба знати для розуміння квантової фізики?

– Що таке квантова фізика?

– Це наука, яка описує наш світ і його закономірності на мікромасштабах. Йдеться про елементарні частинки, атоми, молекули, їхні системи та сукупності.

Префікс мікро- означає зменшення у мільйон разів. Наприклад, уявімо метр. Якщо його зменшити у 10 разів – буде 10 сантиметрів. Зменшити ще у 10 разів – сантиметр, ще у 10 – міліметр і так далі. Щоб дійти до мікромасштабів, треба повторити це мільйон разів.

Але наш світ єдиний, тому ми не можемо прокласти чітку межу між "класичним" і "квантовим". Квантові ефекти спостерігаються і для макрооб'єктів. До речі, люди теж складаються із квантових частинок.

– На вашу думку, чи може квантова фізика помилятися, бо її все-таки вважають теоретичною, а не практичною?

– Навпаки квантова фізика дуже практична. Вона виникла, оскільки необхідно було пояснити експериментальні дані.

Трохи повернімося в історію. 14 грудня 1900 року Макс Планк на засіданні Німецького фізичного товариства представив формулу, яка ідеально лягала на експеримент про випромінювання абсолютно чорного тіла. Вона передбачала дискретність ("порційність") енергії електромагнітного випромінювання та містила фундаментальну фізичну величину – сталу Планка.

Також класична фізика не могла пояснити ні спектри складних атомів, ні їхню стійкість. Існувала модель, за якою атом має позитивно заряджене ядро та негативно заряджені електрони, які рухаються навколо нього. Але, згідно з теорією електродинаміки, будь-яка заряджена частинка, що рухається із прискоренням, має випромінювання. За законом збереження енергії, електрони в атомі мають втрачати енергію і падати на ядро. Але під час експериментів таке не спостерігається – атоми стабільні.

То як описати цю стабільність? Тут на допомогу і прийшла квантова теорія.

– Розберімо основні поняття й теорії, які необхідні для знайомства із квантовою фізикою. Що таке суперпозиція?

– Для опису класичних систем використовують координати та швидкості. Ми можемо визначити траєкторію руху класичної частинки, відповісти на запитання, де вона перебуває у певний момент часу, якими будуть її координати та швидкості.

Натомість для опису квантових частинок застосовуємо поняття стану. Згідно із принципом суперпозиції, квантові системи можуть перебувати в різних станах одночасно, до того ж у різних пропорціях. Нам складно уявити, як це – одночасно бути в Києві та Львові. Але квантові частинки здатні перебувати в різних місцях в один і той самий час.

– "Живомертвий" кіт Шредінгера – це суперпозиція? Яка суть цього експерименту?

– Так, це приклад суперпозиції. Тільки Ервін Шредінгер писав про кицьку, а не кота, але це деталі перекладу.

Вчені, які вибудовували квантову теорію, шукали шляхи її верифікації – перевірки на правдивість. Зокрема, вони вдавалися до мисленнєвих експериментів, формулювали парадокси. Одним із таких став парадокс із кицькою Шредінгера. Оскільки він мисленнєвий, то жодна тварина не постраждала.

Уявіть собі замкнуту коробку, яка не пропускає ні світло, ні звук. Всередину неї поміщають кицьку. Разом із твариною у коробці лежить пристрій, який може позбавити її життя. Але він спрацює лише тоді, коли на нього потрапить фотон (квант світла, тобто елементарна неподільна його частинка).

Тепер у цій абсолютно замкненій коробці роблять щілину. Пристрій спрацює і кицька загине, якщо на нього потрапить фотон. Але уявімо, що на шляху останнього буде напівпрозоре дзеркало. Воно здатне і відбити, й пропустити фотон – імовірність обох варіантів розвитку подій 1/2. У першому випадку кицька залишиться живою, у другому – буде мертвою.

Коробка ізольована – тварину не видно і не чути. Невідомо, що відбувається всередині та яка з імовірностей реалізувалася. Виходить, що кицька у коробці одночасно і жива, і мертва – "живомертва".

Але цей парадокс має розв'язання. Стан кицьки стане визначеним, коли фотон провзаємодіє із дзеркалом. Якщо відіб'ється – вона жива, якщо пройде – мертва. Здається, ніби в нашій свідомості кицька є живомертвою, бо ми не знаємо, чи спрацював пристрій, чи ні, оскільки не відкрили коробку і не побачили цього. Але насправді її стан є детермінованим з того моменту, коли фотон провзаємодіяв з дзеркалом. Незалежно від нашого зання.

– А що таке квантова заплутаність?

– Це явище, при якому квантовий стан частинок є взаємопов'язаним. Вони ніби відчувають одна одну, навіть якщо розташовані на відстані сотень кілометрів.

Для опису стану у квантовій механіці ми пишемо функцію. Після взаємодії частинок їхній стан стає суперпозицією різних станів – ми не можемо визначити його для кожної окремо. Тoму функція описує всю систему.

Щоб краще зрозуміти таку властивість, треба розглянути приклади заплутаних станів. Уявімо, що ми маємо таку комбінацію: 01+10. Це суперпозиція, яка складається із двох доданків: перша частинка у стані 0 і друга частинка у стані 1 + перша частинка у стані 1 і друга частинка у стані 0. В якому стані кожна з цих частинок? Невідомо. Ми знаємо лише те, в якому стані система. Це – заплутаний стан.

Ще один приклад: 00 + 01. У цьому випадку ми можемо точно сказати про стан першої частинки – 0. Стан другої частинки теж визначений – суперпозиція 0 і 1. Це приклад незаплутаного стану.

– Що ще треба знати для кращого розуміння квантової фізики?

– Варто згадати постулат про квантовий вимір – процес взаємодії квантової системи з класичним вимірювальним приладом. Він пов'язує квантову теорію з результатами експериментів і має імовірнісний характер.

Наприклад, уявімо собі вимірювання зросту людини. Припустімо, що під час експерименту ми отримали 175 сантиметрів. Коли повторимо його через певний час, то очікуватимемо на близьке значення. Ясна річ, цей показник може дещо змінюватися – залежно точності приладу, часу доби. Але ми ніяк не очікуємо, що під час одного вимірювання отримаємо 175 сантиметрів, під час другого – 200 сантиметрів, а під час третього – 110 сантиметрів. Хоч і з похибкою 1-2 сантиметри, та результат все ж прогнозований. У випадку із квантовим виміром можливий великий діапазон результатів.

Коли ми втручаємося у квантову систему, проводимо квантовий вимір, то у загальному випадку не можемо прогнозувати його результати. Значення, які ми отримуємо в результаті однакових експериментів, здатні сильно відрізнятися. Тому говоримо тільки про ймовірності.

Для прикладу уявімо класичну систему: коробку з кульками однакового розміру, але різного кольору. Нехай буде 3 червоних і 5 жовтих. Ми проведемо експеримент – витягуватимемо навмання по одній кульці. Чи можна точно відповісти, який результат отримаємо? Ні, лише порахувати ймовірність: з імовірністю 3/8 витягнемо червону кульку, 5/8 – жовту.

Це алегорія на те, що відбувається у квантовому світі. Ми знаємо тільки про ймовірність певного результату – що отримуємо під час експерименту та яким буде стан квантової системи.

– У квантовому світі спостерігач може впливати на хід подій. Як це відбувається?

– Процеси спостереження над квантовою і класичною системами мають різний характер. За класичною можна спостерігати неозброєним оком. Наприклад, можна слідкувати за положенням м'яча у просторі. Важливо зауважити, що траєкторія його руху через це не зміниться.

Щоб заглянути у квантову систему, визначити її властивості, потрібно втрутитися в неї, тобто провести експеримент. Цей процес описує постулат про вимірювання. Як ми вже згадували, воно має ймовірнісний характер. Але є ще один важливий нюанс: у загальному випадку стан системи руйнується, коли ми в неї втручаємося.

Експеримент із двома щілинами фактично описує всю унікальність квантових властивостей та особливості квантового виміру. Для кращого розуміння спочатку уявімо його із класичними об'єктами. У вас є джерело кульок, на шляху яких розміщена перегородка із двома щілинами. За нею стоїть екран із детектором цих кульок, на якому ви фіксуватимете їхнє положення.

Нехай спочатку одна зі щілин закрита. Відразу інтуїтивно зрозуміло, що найбільше кульок буде зафіксовано навпроти відкритої. Ясна річ, що деякі з них змінюватимуть траєкторію. Але найбільша імовірність знайти кульку – саме навпроти відкритої щілини.

Тепер ви відкриваєте обидві щілини. Найбільша імовірність знайти кульки буде навпроти обох. Тут працює класичний закон додавання імовірностей.

Тепер уявіть, що ви стежите за хвилями на воді (як вони проходять через дві щілини) та визначаєте їхню інтенсивність на екрані з детектором. У цьому випадку не виконується класичний закон додавання ймовірностей, а спостерігається інтерференційна картина – "візерунок" зі смуг, чергування максимумів та мінімумів інтенсивності, який виникає після накладення хвиль одна на одну. Якщо хвилі накладаються, вони підсилюють або гасять одна одну. Коли максимум накладеться на максимум – буде підсилення, максимум на мінімум – компенсація амплітуди.

А тепер уявімо, що є джерело поодиноких елементарних частинок, наприклад, електронів. На перший погляд здається, що вони повинні мати такий самий шлях, як кульки – тобто найбільші ймовірності зафіксувати їх будуть навпроти двох щілин. Але насправді електрони ніби знають інформацію один про одного. Тобто поводяться як хвилі – інтерференційно.

То що виходить? Ви згенерували один електрон, спостерігали за його проходженням через щілини, визначили положення на екрані, а потім згенерували наступний і зробили те саме. Положення електронів на екрані будуть взаємопов'язаними. Коли вони проходитимуть крізь щілини, спостерігатиметься не закон додавання ймовірностей. Буде інтерференційна картина. Але тільки ми втрутимося, будемо визначати, через яку щілину пройшов електрон, вона зникне.

Чи застосовують квантові технології на практиці?

– Де зараз застосовують квантові технології? Чи користуємося ми ними у повсякденному житті?

– Засади квантової механіки використовують, наприклад, у транзисторах і лазерах. Зараз важливою частиною квантових технологій є квантове програмування. Його потенційно можна використовувати у логістиці, кібербезпеці, для досліджень складних молекул та нових матеріалів, розробки ліків. Але поки це майбутнє. Тому що квантові комп'ютери ще не досконалі.

– А як щодо військової сфери?

– Алгоритми є, але практичного застосування немає. Повторюся – квантові технології не розвинуті до кінця. Є нерозв'язаною проблема великих похибок квантових обчислень. У перспективі у військовій сфері квантові технології можуть бути корисними для логістики, задачі оптимізації, шифрування інформації, дослідження властивостей матеріалів. Але зараз про це рано говорити.

– Зупинімося детальніше на квантових комп'ютерах. Що це таке і чим вони відрізняються від звичайних?

– Квантові комп'ютери – це обчислювальні пристрої, які розв'язують задачі з використанням квантових властивостей, як-от суперпозиція та заплутаність.

На вигляд вони зовсім не схожі на звичайні. Є різні фізичні реалізації квантових процесорів. Наприклад, квантові комп'ютери компанії IBM є надпровідними. Вони нагадують величезні люстри, оскільки надпровідні квантові процесори потребують охолодження до наднизьких температур (йдеться про мілікельвіни) та ізоляцію від зовнішнього середовища.

Як з'явилися квантові комп'ютери? Люди прагнули отримати все більше і більше обчислювальних ресурсів. З цією метою у мікросхемах пристроїв зростала кількість транзисторів (елементів, які керують електричним струмом у колі). Це призвело до появи квантових ефектів, які негативно впливали на обчислення. І було два варіанти розвитку подій – боротися з ними або обернути їх на свою користь. Вибір другого призвів до створення квантових комп'ютерів.

Квантові процесори працюють із квантовими бітами – кубітами. У класичному програмуванні біт може набувати лише двох значень – 0 або 1. Натомість кубіти, відповідно до принципу суперпозиції, можуть перебувати у станах 0 та 1 одночасно, ще й у різних пропорціях. Це подібно до того, як ми змішуємо фарби двох кольорів. Змінюючи пропорції, можна утворити безліч відтінків. У різні квантові стани ми можемо записати різну класичну інформацію, а потім опрацьовувати її за допомогою квантових обчислень. Тому, навіть якщо порівнювати лише один кубіт та однобітний класичний комп'ютер, обчислювальні можливості зростають.

А якщо у нас їх більше? У класичному програмуванні два біти можуть мати чотири різні значення– 00, 01, 10 та 11. У кубітів можуть реалізовуватися всі ці випадки одночасно. Квантові біти можуть перебувати в суперпозиційному стані, який є лінійною комбінацією всіх станів 00, 01, 10 та 11. Щоб змоделювати його на класичному комп'ютері, треба щонайменше чотири класичні біти.

Наразі найбільшим квантовим комп'ютером компанії IBM є 1121-кубітний. Щоб змоделювати його на класичному пристрої, треба 2¹¹²¹ класичні біти. А це орієнтовано 10³³⁷, тобто 10 і ще 337 нулів. Нам банально не вистачить не тільки обчислювальних потужностей звичайних комп'ютерів, а навіть атомів у Всесвіті.

Під час квантового програмування ми здійснюємо операції над квантовими станами системи кубітів. При цьому ми змінюємо всі доданки у суперпозиційному стані із записаною на них інформацією одночасно. І тут є дуже цікава особливість – паралелізм. Ми паралельно здійснюємо обчислення та перевіряємо різні варіанти, що дозволяє пришвидшити розв'язання задач на квантових процесорах. Це говорить про перевагу квантових комп'ютерів над звичайними. Її ще називають квантовою перевагою.

Щоб дізнатися результат квантових обчислень, потрібно втрутитися в систему, провести квантовий вимір. Нагадаю, що він має ймовірнісний характер. Тому однакову квантову програму запускають багато разів, щоб зібрати статистику результатів.

В Україні ще немає квантових процесорів. Проте квантове програмування може відбуватися дистанційно – через онлайн-доступ із класичних комп'ютерів. Я відкриваю спеціальну програму, пишу звичайний код, в який імпортую пакет, що дозволяє працювати з квантовими процесорами чи їхніми класичними симуляторами.

Чи можливе існування мультивсесвіту, мандрівки у часі й телепортації з погляду квантової фізики?

– Що таке час із погляду квантової фізики?

– Це ще одне відкрите питання, через яке науковці досі дискутують.

У рівняння квантової механіки час входить як параметр. У теорії відносності Айнштайна він є рівноправною координатою, як і просторові. Як об'єднати всі відомі теорії і створити узгоджену "теорію всього" – на сьогодні питання відкрите.

Про час у квантовій механіці ми говоримо, коли визначаємо еволюцію стану системи. Вона описується унітарним оператором. На квантовому комп'ютері можна прописати алгоритм, який може спочатку змінити стан системи, а потім повернути до початкового, змусити її ніби повернутися в минуле – підставити час із знаком "мінус". Проте через втручання квантовий вимір, стан системи може незворотно зруйнуватися.

– Чи зможе квантова фізика коли-небудь реалізувати мандрівки в часі?

– Якщо йдеться про подорож у часі нас із вами, то ні. Якщо говорити про часову інверсію і про відтворення попередніх станів квантової системи, наприклад, за допомогою квантового програмування, про що ми тільки-но говорили, – так.

– А як щодо телепортації?

– Це реально, але якщо говорити не про класичну (коли людина миттєво переміщується з Києва до Львова), а про квантову телепортацію. Її ми реалізовуємо зі студентами навіть під час лабораторних робіт.

Квантова телепортація – це телепортація стану, перенесення певної інформації. Є добре відомий експеримент на цю тему. Уявімо, що Аліса хоче телепортувати Бобу певну інформацію, яка записана у стані квантової частинки. Для телепортації їй треба класичний і квантовий канали.

Квантовий утворюють дві частинки у заплутаному стані. Вони ніби відчувають одна одну, їх стани є взаємоузгодженими. Класичний канал зв'язку передбачає можливість листування чи дзвінку, будь-якого обміну інформації.

Аліса має дві частинки – одна утворює квантовий канал, а на іншій записана інформація, яку треба телепортувати. Вона проводить так звані виміри Белла – вимірює обидві частинки одночасно і переводить їх у заплутані стани. Вимір у квантовому світі має імовірнісний характер. Отже, Аліса реалізує один із заплутаних станів Белла з імовірністю 1/4. Коли вона зробить маніпуляції над своїми двома частинками, квантовий канал зруйнується. Тобто частинки Аліси і частинка Боба перестануть бути заплутаними – такими вони будуть лише у "дівчини".

Але під час цього процесу інформація зі стану частинки Аліси перекинеться на стан частинки Боба. Це буде ще не точно той самий стан, але вона вже міститиме потрібну інформацію. Далі через класичний засіб зв'язку Аліса розповість Бобу, в якому стані її частинки (нагадаю, що їх може бути 4 варіанти). Тоді хлопець змінить стан своєї частинки й переведе інформацію повністю. Так вона стає точною копією тієї, що була у дівчини.

– Існує дуже цікава теорія квантового безсмертя, яка стверджує, що свідомість людини ніколи не помирає. Нібито у момент загрози життю створюється інша версія всесвіту, а свідомість переноситься у новій реальності. А ці варіанти "реальності" існують паралельно одна одній. Чи є в цього якась доказова база?

– Є різні інтерпретації квантової механіки теорії, серед них і багатосвітова, яку запропонував американський фізик Г'ю Еверетт. З нею пов'язують багато філософських ідей, неверифікованих теорій. Зокрема, і про квантове безсмертя.

Багатосвітова інтерпретація відмовляється від твердження про колапс стану системи до одного з можливих під час процесу вимірювання. Натомість вона стверджує, що після взаємодії квантової системи з вимірювальним приладом реалізуються всі варіанти та утворюють окремі "світи".

Це і наштовхнуло на думку, що завжди існує світ, в якому не відбулися летальні події. Вона лежить в основі теорії про квантове безсмертя. Проте ця теорія наразі не верифікована, тому ставлюся до неї скептично. Вважаю безсмертя гарною казочкою.

– До речі, про казочки. Чи є у квантовій фізиці місце для псевдонаукових теорій?

– Тут тонка межа. Але є критерії, які допомагають відрізнити псевдонауку від науки. Важливо, щоб теорія відповідала результатам експерименту. Спершу теорія може не мати зв'язку з ними. Проте її можна назвати успішною лише тоді, коли вона узгоджується із фундаментальними фізичними законами та принципами, які вже перевірені.

Фундаментальні теорії потрібно будувати, щоб розвивати науку. Наприклад, зараз вчені активно працюють над квантовою гравітацією, яка б об'єднала теорію гравітації та квантову механіку. Щоб верифікувати її, треба поставити високоточні експерименти, перевірити ефекти на дуже малих масштабах, чого досі не вдалося зробити. Це не псевдотеорія, а теорія, що не має експериментальних підтверджень.

Часом словами "квантовий" і "суперпозиція" вживають лише для того, щоб ускладнити думку. Ось це – псевдонаука.

Над чим зараз працюють вчені у галузі квантової фізики?

– Які важливі відкриття зробили у галузі квантової фізики останнім часом?

– Зараз активно розвивають квантові комп'ютери. Чотири роки тому йшлося про процесор на 127 кубітів, зараз – про 1121. Прогрес колосальний. Крім того, розвивається квантова телепортація. Її змогли провести через звичайне оптоволокно. Також зростають відстані – це вже тисячі кілометрів.

– А над чим вчені працюють зараз?

– Над фундаментальними питаннями квантової механіки, зокрема питаннями часу та теорії квантової гравітації. Також розробляють квантові алгоритми, які були б стійким до похибок та показували на практиці переваги квантових процесорів над класичними.

– Яка особисто ваша сфера діяльності? Чула, що ви пишете квантову музику?

– Я програмую на квантових комп'ютерах. Розробляю і верифіковую свої алгоритми для розв'язання фундаментальних і, в перспективі, практичних задач. Зокрема, вивчаю властивості квантових станів. Також проводжу дослідження в рамках теорії квантованого простору, побудови теорії квантової гравітації, теоретично аналізую вплив особливостей структури простору на дуже малих масштабах на властивості фізичних систем.

Але також мені цікаво, як за допомогою квантових обчислень вивчати класичні системи. Наприклад, графи чи мережі. Зокрема, це можуть бути соціальні мережі: люди в них є вузлами, а зв'язки між нами – знайомства чи комунікації. Також ідеться про логістичні мережі – складні системи, які оточують нас у реальному житті. На класичних комп'ютерах для дослідження складних мереж потрібні великі обчислювальні ресурси. На квантових, якщо побудувати відповідні алгоритми, це можна робити швидше.

Оскільки я маю також музичну освіту, то дійсно пишу квантову музику. В її основі лежать квантові алгоритми та їхні результати, які прив'язані до нот. Можна також створювати квантові гармонії, поліфонічні твори, ілюструвати таким чином заплутаність. Ключову роль у цьому процесі відіграє людина – саме вона придумує зв'язок квантового світу з класичним звуком, музичною нотою. Так і виходить квантова мелодія.

Як квантова фізика може змінити наш світ?

– Як, на вашу думку, квантова фізика може змінити наше життя у найближчому майбутньому?

– Я б зосередилася саме на квантових комп'ютерах. Думаю, за 5-10 років значно розвинеться квантове програмування. Воно дасть змогу розв'язувати широкий клас практичних задач, зокрема у сфері економіки, як-от оптимізація портфеля цінних паперів.

Також є перспективи у медицині, зокрема моделювання молекул для розробки ліків.

Алгоритми вже є. Ми чекаємо на технології, які зроблять квантові комп'ютери з малими похибками обчислень.

– Існує думка, що квантову фізику важко зрозуміти, оскільки людське розуміння дуже обмежене – ми сприймаємо світ дуже буквально. Чи дійсно це так?

– Є дуже популярна цитата фізика Річарда Фейнмана: "Ніхто не розуміє квантової механіки". Складність не в обмеженості, а у звичці. Ми звикли, що результат експерименту детермінований: бачимо траєкторію руху м'яча і прогнозуємо його рух. А квантова механіка забирає ці звичні речі, додаючи власні правила.