Квантова революція: як відкриття тунелювання та квантування енергії змінило концепцію обчислень
Нобелівська премія з фізики 2025 року була значною подією, що відзначала прориви в квантових обчисленнях. Джон Кларк, Мішель Девор та Джон Мартініс були нагороджені цією високою честь за свою піонерську роботу у 1980 -х роках, демонструючи квантовий вплив на макроскопічні масштаби. Їх відкриття – це не просто науковий прорив, це основа, на якому майбутнє обчислення, і, я смію кажу, побудовано майбутнє технології.
Від атомів до макросів: несподіваний поворот фізики
Традиційно квантові ефекти, такі як тунелювання та квантування енергії, вважалися явищами, обмеженими мікроскопічним світом – світом атомів та елементарних частинок. Уявіть класичний приклад: м’яч, що котиться на пагорб. Класична фізика прогнозує, що якщо м’яч не має достатньої енергії, щоб пережити вершину, він просто повернеться назад. Квантова механіка пропонує іншу картину: Існує ймовірність, що м’ячпройде через Хілл навіть якщо у нього не вистачає енергії. Це квантове тунелювання.
Але як можна спостерігати такий вплив на шкалу, яку ви можете утримувати в руці? Це було питання, яке спантеличували фізиків. Саме відкриття Кларка, Девора та Мартінеса дозволило бачити це явище в дії. Використовуючи Josephson Junctions – структури, що складаються з надпровідників, розділених тонким шаром ізолятора – вони змогли спостерігати за тунелюванням електронів між станами з різними напругами та квантуванням енергії, тобто дискретних частин енергії, яку система поглинає.
Josephson Junction: ключ до квантового світу
Розуміння того, як працює Josephson Junction, є ключовим для розуміння значущості відкриття. Відомо, що надпровідники проводять електроенергію без опору при дуже низьких температурах. Це пов’язано з тим, що електрони в них утворюють так званий стан конденсату Купера, де вони рухаються на концерті, як одна одиниця. Коли надпровідник відокремлюється ізолятором, виникає стик Джозефсона.
Уявіть собі тонкий міст між двома надпровідниками. Електрони, через квантові ефекти, можуть “тунель” через цей ізолятор, навіть якщо це є бар’єром для класичного струму. Це трапляється через хвильову природу електронів – це не просто частинки, але й хвилі, які можуть «проникати» через бар’єри. Квантування енергії відбувається, коли електрони поглинають або випромінюють енергію лише в дискретних порціях, а не в безперервному спектрі.
Вплив на квантові обчислення: надпровідні кубіти
Відкриття Кларка, Девора та Мартінеса мало величезний вплив на розробку квантових обчислень. Суперпровідні кубіти, які є одним із найперспективніших типів кубітів, покладаються безпосередньо на ці ефекти. Qubit, на відміну від класичного біт, який може бути лише 0 або 1, може бути в суперпозиції – стан, де це і 0 і 1 одночасно. Це дозволяє квантовим комп’ютерам проводити розрахунки набагато швидше, ніж класичні.
Суперпровідні кубіти використовують Josephson Junctions для створення цього стану суперпозиції. Точно контролюючи електричні ланцюги та температури, можна створити кубіти, які знаходяться в стані суперпозиції і можуть бути використані для проведення складних обчислень.
“Квантова верховенство”: суперечливі претензії та майбутнє гонки
Ім’я Джона Мартінеса тісно пов’язане з одним із найбільш суперечливих моментів в історії квантових обчислень – оголошення Google про досягнення “квантового верховенства” у 2019 році. Їх квантовий комп’ютер “Sycamore” виконав конкретне завдання швидше, ніж найпотужніший класичний комп’ютер. Однак ця заява викликала суперечки, оскільки деякі вчені стверджували, що класичні алгоритми могли бути оптимізовані для того, щоб швидше виконувати одне і те ж завдання.
Незважаючи на суперечки, оголошення Google підкреслило величезний потенціал квантових обчислень. Гонка за «квантовим верховенством» триває, багато компаній та науково -дослідні інститути працюють над створенням все більш потужними квантовими комп’ютерами.
Особистий досвід та роздуми: внутрішній вигляд
Я особисто дотримуюся розробки квантових обчислень вже кілька років, і я вражений швидкістю, з якою це поле просувається. Лише кілька років тому квантові комп’ютери були лише теоретичною концепцією, але сьогодні вони починають знаходити практичні програми.
Що мені здається особливо цікавим, це використання квантових алгоритмів для вирішення проблем, які класичні комп’ютери не можуть зробити. Наприклад, квантові алгоритми можуть бути використані для розробки нових препаратів, оптимізації логістики та порушення сучасних систем шифрування.
Висновок: Квантова революція тільки починається
Відкриття Кларка, Девора та Мартінеса було поворотним моментом в історії фізики та технологій. Це дозволило бачити квантові ефекти в макроскопічній шкалі і прокласти шлях до створення квантових комп’ютерів.
Квантова революція лише починається, і попереду ще більш захоплюючі відкриття та нововведення. Я впевнений, що квантові обчислення змінить світ, як ми це знаємо, і допоможе вирішити багато найскладніших проблем, що стоять перед людством.
Поради та підказки для тих, хто цікавиться квантовими обчисленнями:
- Вивчіть основи квантової механіки: Розуміння основних принципів квантової механіки є важливим для розуміння того, як працюють квантові комп’ютери.
- Перевірте різні типи кубітів: Існує кілька різних типів кубітів, кожен з яких має свої переваги та недоліки.
- Дослідіть квантові алгоритми: Квантові алгоритми – це програми, які працюють на квантових комп’ютерах.
- Приєднуйтесь до спільноти квантових обчислень: Існує багато інтернет -спільнот та форумів, присвячених квантовим обчисленням.
- Не бійтеся експериментувати: Квантові обчислення – це нове і швидко зростаюче поле, тому не бійтеся спробувати нові речі та помилятися.
Квантові обчислення – це не просто науковий прорив, це нова епоха в розвитку технологій, яка відкриє для нас величезні можливості.
