Квантовая чувствительность
Рассуждать о силе мысли любят философы и психологи. Но если к генератору мыслей — нашему мозгу — подойти с позиции физики, то измерить его «силу» оказывается совсем непросто. Да, человеческий мозг генерирует магнитные поля, вот только их силы не хватит, чтобы даже чуть-чуть пошевелить стрелку компаса, ведь эти поля в миллиарды раз слабее магнитного поля Земли. И тем не менее их научились измерять. Одна из областей исследований Российского квантового центра (РКЦ) — сверхчувствительные квантовые сенсоры, которые позволяют не только заглянуть в голову человека, но и вывести диагностику разных заболеваний на новый уровень.
Как сблизить квантовую физику с биологией? Рассказывает Максим Острась, генеральный директор РКЦ.
— Сейчас слово «квантовый» используют в сочетании с самыми разными направлениями, явлениями и технологиями. А что мы называем «квантовым»?
— Меня, наверное, можно назвать апологетом использования слова «квантовый», именно в том смысле, в котором оно когда-то и создавалось. Квантовая физика появилась примерно сто лет назад. Макс Планк, когда изучал излучение абсолютного чёрного тела, пришёл к тому, что существовавшая на тот момент классическая теория не описывала реальный эксперимент. В соответствии с классической теорией в ультрафиолетовом диапазоне спектра плотность энергии излучения должна была уходить в бесконечность. Но этого не наблюдалось. Планк предложил, что атомы и молекулы, назовём их осцилляторами, в стенках полости абсолютно чёрного тела могут обмениваться энергией только порциями (квантами), пропорциональными E = hν. Согласно его гипотезе, осциллятор не может иметь произвольную энергию, а только дискретные значения, кратные некоторой элементарной порции. Это привело к формуле Планка, идеально согласующейся с экспериментальными данными.
Если говорить в общем, «квант» и «квантовый» — это про неделимые порции какой-то физической величины, изменение которой в микроскопических системах происходит скачкообразно между разрешёнными значениями. И эти термины имеют отношение к очень маленьким объектам: фотонам, атомам, ионам и другим. Но также квантовые свойства могут проявляться и в макроскопических условиях при определённых обстоятельствах.
С появлением и развитием квантовой механики произошла так называемая первая квантовая революция, когда люди научились управлять коллективными квантово-механическими явлениями. Возьмём, например, свет лазера. Упрощая, можно сказать, что каждый фотон в лазерном пучке неотделим от другого фотона. Он обладает такой же фазой, как у соседа, такой же амплитудой и частотой. Это и есть коллективные квантово-механические явления, в которых одни и те же частицы ведут себя абсолютно одинаково.
Практически все электронные устройства, которыми мы пользуемся в наши дни: компьютеры, телефоны — всё, что работает на транзисторах, на лазерном излучении, — это продукт первой квантовой революции. Сейчас человечество благодаря накопленному опыту, как в науке, так и в технологии, перешло определённую черту, и теперь мы уже можем управлять одиночными атомами, фотонами и ионами, чтобы в полной мере раскрывать тот потенциал, который несёт в себе квантовая физика.
— Какой, например?
— В квантовой физике есть ряд интересных феноменов, которые мы в нашем классическом макромире наблюдать не можем. Например, явление суперпозиции, когда один и тот же объект может находиться сразу в нескольких состояниях одновременно. Для нашего с вами мира это бред и абсурд, но не для квантовой механики. Все слышали про кота Шрёдингера, но Шрёдингер придумал этот воображаемый эксперимент не для того, чтобы показать, что кот может быть одновременно живым и мёртвым. Этот эксперимент демонстрирует, насколько контринтуитивны и абсурдны законы квантовой механики, если мы будем применять их к привычному классическому миру.
Не менее интересный квантовый феномен — это квантовая запутанность, когда при определённом взаимодействии квантовых частиц они начинают описываться одной волновой функцией. Проводя измерения с одной частицей, мы сразу получаем состояние второй. На эту тему в XX веке был очень жаркий спор между двумя группами учёных: Эйнштейн, Подольский и Розен, с одной стороны, действительно считали, что квантовая механика неполна и квантовая запутанность должна быть объяснена локальными скрытыми переменными. Учёные не отрицали корреляции, но полагали, что они предопределены с момента создания частиц.
Нильс Бор защищал копенгагенскую интерпретацию: свойства частиц не существуют до измерения, а сама система представляет собой нераздельное целое (нелокальность).
Решающий шаг в споре сделал Джон Белл в 1964 году, предложив названные в его честь неравенства, которые позволили экспериментально проверить, возможны ли локальные скрытые переменные, а следовательно, и квантовая запутанность.
В 2022 году Нобелевскую премию по физике получила группа учёных, которая за счёт нарушения неравенства Белла показала, что квантовая запутанность действительно существует.
Квантовая запутанность, квантовая суперпозиция может использоваться в квантовых вычислениях, квантовой криптографии, квантовой сенсорике, чтобы получить выигрыш, недоступный по сравнению с классическими аналогами.
— Можно ли сказать, что теоретическая квантовая механика сильно опережает развитие реальных экспериментальных возможностей? Например, мы знаем про какой-нибудь квантовый эффект, но пока не в состоянии сконструировать прибор, чтобы его наблюдать?
— В целом подобное положение вещей выдерживалось на протяжении очень долгого времени не только в контексте квантовой механики. Прикладные исследования и уж тем более перенос прикладных исследований в технологическую плоскость зачастую очень сильно отставали от фундаментальных работ. Но что мы видим сегодня? Давайте на примере квантового компьютера. Квантовый компьютер как концепция появился в восьмидесятых годах прошлого века.
От США эту концепцию предложил Ричард Фейнман. В Советском Союзе Юрий Манин тоже высказал гипотезы, что можно делать квантовые машины, которые для определённого класса задач могут решать всё гораздо быстрее. Казалось бы, концепция появилась, почему бы не сделать квантовый компьютер? Но технологически человечество тогда было к этому не готово. Первые измеренные кубиты мы увидели только в конце девяностых — начале двухтысячных.
Но уже в 2010-е годы произошёл большой технологический скачок. И это было заметно сразу по нескольким косвенным аспектам. Во-первых, практически все развитые страны запустили свои квантовые программы. Следовательно, инженерный и технологический уровень стал достаточным для того, чтобы реализовывать фундаментальные изыскания учёных. Во-вторых, это заметно по денежным инвестициям в развитие квантовых технологий. Основные денежные вливания идут со стороны государства, но в последнее время даже бизнес начал видеть для себя конкретные решения и готов тратить на это деньги.
Возвращаясь к вашему вопросу, действительно, почти всегда технологии отстают от развития фундаментальной науки, но в квантовой области сейчас это отставание резко сокращается, и в некоторых технологических нишах уже есть готовые продукты, а в других они вот-вот появятся.
— Какое из направлений квантовых технологий ближе всего подошло к практическому использованию, к прикладной науке?
— Квантовые технологии делятся на три больших блока: вычисления, коммуникации и сенсоры. И в каждом из этих направлений уже есть значительные результаты. Что касается вычислений, то в мире созданы и работают прототипы квантовых компьютеров. Они пока не совсем универсальные и показывают потенциальное квантовое превосходство только в очень узких задачах, которые под эти квантовые компьютеры были заточены. Но параллельно с этим мы видим, что технологическое обеспечение уже на таком уровне, что в ближайшие пару лет появятся реальные задачи, реализуемые на квантовых машинах, которые смогут быть полезны для общества. Уже совсем скоро мы увидим первые реально нужные результаты.
Что касаемо квантовой криптографии и квантовых коммуникаций, то это область более зрелая. В мире есть стартапы и технологические компании, которые реализуют квантовую связь, а первые такие компании появились около двадцати лет назад.
Квантовые сенсоры — это, наверное, наиболее зрелая область. Первые квантовые сенсоры появились ещё около середины прошлого века, и сегодня они задействованы гораздо шире, чем просто в науке.
— Чем квантовые сенсоры отличаются от, скажем, классических сенсоров?
— На самом деле, квантовая сенсорика — это область, которая гораздо шире, чем отдельно взятая область квантовых вычислений или квантовой коммуникации. Почему? Потому что квантовых сенсоров достаточно большой «зоопарк», в зависимости от того, на какой базе они работают и какие физические поля измеряют. Что такое сенсор? Это измеряющее устройство, которое регистрирует, например, магнитные или электрические поля, температуру. В мире до сих пор идут споры относительно того, какой сенсор считать истинно квантовым. Если в других областях учёные пришли к соглашению, что такое квантовый компьютер, что такое квантовая криптография, то с сенсорами ещё есть ряд незакрытых вопросов. Например, можем ли мы использовать макроскопические состояния вещества для измерения и называть это квантовым измерением?
С одной стороны, да, потому что коллективные квантово-механические явления никто не отменял. Но, с другой стороны, мы же всё равно не оперируем там одиночными атомами, фотонами или ионами. Приведу, наверное, самый яркий пример квантового сенсора — это магнитометр или термометр на NV-центрах. Что это такое? Берётся алмаз, он представляет собой кристаллическую решётку углерода. В этой решётке искусственно убираются два атома: вместо одного атома углерода мы вставляем атом азота, а место второго оставляем пустым — это называется вакансией.