Серж Арош © msnbc.msn.com

Квантовая физика описывает явления микроскопического мира – мира атомов, фотонов, элементарных частиц. Законы микромира, конечно, оказывают определяющее влияние и на мир больших предметов, в котором живем мы с вами. А вот наоборот – нам, большим, научиться управлять микроскопическими объектами, заставить их делать то, что нам нужно, совсем не просто. Дело не только в эффекте «слона в посудной лавке» и не только в том, что законы квантовой физики для нас невообразимы (вспомним хотя бы кота Шрёдингера). Главная проблема в том, что, взаимодействуя с окружающей средой, сложные квантовые объекты моментально разрушаются, меняя свои свойства. Поэтому требуется не только воздействовать на них с хирургической точностью, но при этом еще и изолировать их от всех других воздействий.

Именно этим занимается квантовая технология – область физики, зародившаяся в последние два-три десятилетия и в сейчас особенно бурно развивающаяся. В наше время квантовые технологии делают лишь первые робкие шаги из научных лабораторий к чертежным доскам инженеров. Однако уже сегодня ясно, что изменения в нашей жизни, к которым приведет развитие квантовых технологий, сравнимы по масштабу революционности с теми, которые полупроводниковая электроника вызвала во второй половине XX века. Речь идет о сверхбыстрых компьютерах, абсолютной защите информации, сверхлегких сплавах, сверхточных часах, сверхпроводимости при комнатной температуре, принципиально новых методах в биологии и медицине.

Современная квантовая технология появилась во многом благодаря пионерским работам нобелевских лауреатов 2012 года – Ароша и Вайнланда. Их работы перевернули наше представление о возможном и невозможном в физике. Сам Арош писал в одной из своих статей: «Мы можем ловить и удерживать отдельные атомы и фотоны, переплетать их друг с другом, напрямую наблюдать их квантовые прыжки – и таким образом реализовывать некоторые из тех умозрительных экспериментов, которые представляли себе отцы-основатели квантовой физики. Шрёдингер, который считал, что мы навсегда лишены возможности наблюдать атом вживую, был бы потрясен, если бы увидел, каких высот достигают экспериментаторы в управлении атомами при помощи лазеров».

Интересно, что Арош и Вайнланд подошли к проблеме с противоположных концов. Арош разработал сверхпроводящую полость, в которой фотоны могут оставаться в течение длительного времени без движения и в изоляции от внешнего мира. Запуская в эту полость атомы-«шпионы», Арош и его коллеги могут управлять квантовым состоянием фотонов и измерять это состояние, не разрушая его. Вайнланд же, наоборот, управляет квантовым состоянием атомов (точнее, ионов – атомов, потерявших один электрон) при помощи фотонов. Удерживая ионы в магнитном поле, Вайнланд гасит их колебания посредством света лазеров, доводя их до состояния, в котором они почти не движутся. Такой ион можно использовать как маятник для невероятно точных часов – настолько точных, что их погрешность за всю историю существования Вселенной составила бы лишь несколько минут.

Зачем нужна такая точность, кроме развлечения в лаборатории? Оказывается, точные часы – обязательный компонент любого навигационного прибора, включая те, которые зашиты в наши мобильные телефоны. Система геопозиционирования определяет свои координаты по разнице во времени между сигналами, приходящими от нескольких искусственных спутников Земли. Сегодня эта точность составляет несколько метров. Завтра же, создав компактные атомные часы, мы сможем повысить точность геопозиционирования до сантиметров и миллиметров – и в перспективе полностью автоматизировать управление транспортными средствами.

Еще одно возможное применение работ Ароша и Вайнланда – квантовый компьютер – устройство, способное выполнять некоторые вычислительные задачи несравненно быстрее современной электронной вычислительной машины. Например, в экспериментах группы Вайнланда несколько ионов, удерживаемые в одной ловушке, благодаря воздействию лазеров и взаимодействию друг с другом приводятся в переплетенное квантовое состояние, которое может служить отправной точкой квантового вычисления. Пока такие вычисления незамысловаты: самый большой «квантовый компьютер», который удалось построить на сегодняшний день, состоит всего из четырнадцати квантовых битов. А это значит, что вчерашняя Нобелевская премия в области квантовой оптики далеко не последняя.