В рамках проекта Talks at Google физик-теоретик Николь Юнгер Халперн представила свою научно-популярную книгу «Квантовый стимпанк: Физика вчерашнего завтра». Она рассказала о том, как пересечение квантовой физики, теории информации и классической термодинамики Викторианской эпохи позволяет переосмыслить законы энергии для технологий XXI века. В ходе лекции были подробно разобраны не только механизмы работы микродвигателей, но и применение этой теории к решению фундаментальных загадок Вселенной, включая информационный парадокс черных дыр.
⚙️ Эстетика стимпанка и рождение новой физики 0:00
Николь Юнгер Халперн получила докторскую степень по физике в Калтехе и была удостоена Международной премии имени Ильи Пригожина за свою диссертацию в области термодинамики. В своей текущей научной деятельности, возглавляя исследовательскую группу в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) и Совместном центре квантовой информации и компьютерных наук (QuICS), она занимается тем, что переносит концепции термодинамики XIX века в современную науку. Для этого используется математический аппарат квантовой теории информации. Спикер сама придумала и ввела в оборот термин для этого направления — «квантовый стимпанк».
История этого названия началась во время её обучения в магистратуре в канадском городе Ватерлоо, известном своими стартапами и суровыми зимами. В местной публичной библиотеке исследовательница наткнулась на роман канадского поэта Джея Рузески «Часы Вользенбурга», действие которого разворачивается в Австрии XIX века, где изобретатель превратил бальный зал в мастерскую по созданию часовых автоматов — механических слонов и змей. Эта атмосфера подтолкнула её к изучению стимпанка как культурного феномена.
Стимпанк — это жанр литературы, искусства и кино, произведения которого переносят зрителя в Викторианскую эпоху, период зарождения заводов, дымящих труб фабрик и лондонского смога. На фоне привычных для того времени сюртуков и кринолинов в этом жанре появляются футуристические технологии: подводные лодки, летающие корабли, автоматоны и машины времени. По словам канадского поэта Дугласа Фетерлинга, стимпанк — это жанр, который воображает, «каким иным могло бы быть прошлое, если бы будущее наступило раньше». Эстетика жива и сегодня, проявляясь в таких бестселлерах и хитах кинематографа, как «Машина времени» Герберта Уэллса, «Хранитель времени» (The Invention of Hugo Cabret), фильм «Энола Холмс» от Netflix и сериал «Невероятные» (The Nevers) от HBO. Для физика-теоретика, моделирующего Вселенную с помощью математики, эта фэнтезийная эстетика неожиданно стала реальностью на стыке современных наук.
🌐 Три столпа квантового стимпанка 5:08
Новое научное направление сформировалось на стыке трех фундаментальных областей:
- Теории информации, изучающей эффективность обработки и защиты данных.
- Квантовой физики, исследующей поведение микрообъектов.
- Термодинамики, изучающей энергию и её трансформации.
Теория информации определяет информацию как базовую способность различать альтернативы. В качестве примера спикер привела вымышленную ситуацию в викторианском Лондоне: если заглянуть в окно паба и увидеть чистые перевернутые кружки вместо пенных бокалов, человек получает способность различить, открыто заведение или закрыто. Базовой единицей здесь выступает бит — объем информации, получаемый при ответе на вопрос «да/нет» с равной вероятностью исходов (50 на 50). В компьютерах биты кодируются транзисторами, принимающими значения 1 или 0.
Квантовая физика изучает микроскопические объекты: отдельные электроны, атомы или частицы света — фотоны. Эти системы демонстрируют неклассическое поведение. Одним из таких явлений выступает квантовая запутанность — связь между частицами, порождающая сильные корреляции результатов измерений.
Для объяснения механизма спикер использовала аналогию с вымышленными физиками — сестрой Одри и братом Бакстером, у каждого из которых есть по электрону. Если запутать эти электроны максимально сильно, то при независимом измерении энергии своего электрона Одри получит случайный результат (1 или 0 с вероятностью 50/50). Однако, зная свой результат, она со стопроцентной уверенностью сможет предсказать результат брата (например, если у неё 1, у него обязательно будет 0). Существует также совместное измерение пары частиц, результат которого можно предсказать заранее с абсолютной точностью. Информация в таком случае заложена не в конкретной частице Одри или Бакстера, а распределена между ними — целое оказывается больше суммы его частей.
💻 Квантовое превосходство и практические вызовы 12:22
Ученые используют квантовые эффекты для создания квантовых компьютеров, способных за минуты решать задачи, на которые у классических суперкомпьютеров ушли бы годы. Исторической вехой в этой области стал 2018 год, когда компания Google сделала международные заголовки, впервые проведя эксперимент по квантовому превосходству. Квантовый компьютер Sycamore справился с тестовой задачей генерации случайных чисел менее чем за четыре минуты, тогда как высокомощному традиционному суперкомпьютеру, по первоначальным оценкам инженеров, потребовалось бы около 10 000 лет. По мнению Юнгер Халперн, несмотря на споры вокруг этой цифры, достижение стало прорывным, хотя сегодняшние квантовые процессоры всё ещё остаются малыми и ограниченными, а до раскрытия их полного потенциала пройдут годы.
Среди прикладных задач квантовых систем выделяются следующие:
- Информационная безопасность: квантовые компьютеры смогут легко взламывать распространенный криптографический протокол RSA шифрования, защищающий данные кредитных карт при онлайн-покупках.
- Квантовая криптография: в 2017 году исследователи из Китая и Австрии успешно провели первую видеоконференцию, защищенную квантовыми ресурсами.
- Химия и материаловедение: моделирование сложных квантовых макромолекул.
Последнее направление имеет критическое значение для мировой экономики и экологии. Около 3% всей вырабатываемой в мире энергии сегодня тратится на производство сельскохозяйственных удобрений. Причина таких огромных затрат кроется в использовании устаревшего промышленного метода, созданного еще в 1909 году. В то же время обычные природные бактерии справляются с этой задачей гораздо эффективнее благодаря ферменту нитрогеназе. Структура этой молекулы слишком сложна для симуляции на классических компьютерах из-за её квантовой природы, но квантовые процессоры идеально приспособлены для раскрытия её секретов, что в потенциале способно перевернуть всю энергетику.
Учитывая эти перспективы, правительства и корпорации активно финансируют исследования. В 2018 году Конгресс США принял «Закон о национальной квантовой инициативе», выделив $1,2 млрд, причем Сенат проголосовал за него удивительно единогласно. Помимо Google, квантовые подразделения развернули Microsoft, IBM, Amazon и Honeywell, а стартапы вроде Rigetti успешно выходят на фондовый рынок.
Для сохранения деликатных квантовых свойств и запутанности чип процессора необходимо держать при сверхнизких температурах. Для этого используются специальные установки — рефрижераторы растворения, охлаждающие систему до температур ниже, чем в открытом космосе. Докладчица поделилась шуткой из личной жизни: её муж, специалист по классическим компьютерам, узнав об этом, возмутился: «Это устройство охлаждает объекты ниже температуры космоса, и вы называете его просто "холодильником" (fridge), а не "морозильником"?».
🔥 Термодинамика: от паровых двигателей к квантовому теплу 18:05
Классическая термодинамика изучает энергию и её переходы. Макрообъекты передают энергию в двух формах: в виде тепла (хаотичного, нескоординированного движения частиц, которое напрямую не приносит пользы) и работы (скоординированной энергии, используемой для зарядки батарей, подъема грузов или работы фабрик). Тепловые двигатели викторианской эпохи превращали хаотичное тепло в полезную работу и стали драйвером Индустриальной революции. Практические вопросы эффективности этих машин привели к фундаментальным открытиям: почему время течет только в одну сторону и действительно ли материя состоит из невидимых атомов.
Измерение тепла в квантовом мире сталкивается с фундаментальной преградой. Обычную систему можно измерить до охлаждения и после, получив разницу. Однако, согласно принципу неопределенности, сформулированному немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1920-х годах, любое измерение квантовой системы неизбежно возмущает её. Попытка измерить энергию квантовой частицы может изменить саму эту энергию, поэтому квантовое тепло невозможно зафиксировать простыми методами. Перед квантовыми термодинамиками встают вопросы: можно ли построить микроскопический холодильник из нескольких атомов, и способна ли квантовая запутанность повысить его эффективность?
Квантовая термодинамика зародилась еще в 1930-е годы, сразу после создания квантовой механики. В 1950-х и 1960-х годах ученые спроектировали первый квантовый двигатель, состоящий всего из одного атома, работающего в мазере. Мазер аналогичен лазеру, но вместо видимого света он генерирует когерентное микроволновое излучение. Оказалось, что двигателю не нужны шестерни и поршни — достаточно одного атома.
Долгое время дисциплина оставалась малозаметной, а скептики называли термин «квантовая термодинамика» оксюмороном, утверждая, что теория пара, созданная для огромных макросистем, неприменима к квантовым объектам. Ситуация кардинально изменилась за последнее десятилетие: бум начался благодаря созреванию квантовой теории информации в начале 2000-х, давшей физикам мощный математический и концептуальный инструментарий для контроля над тысячами атомов, ионов и фотонов в лабораториях. Крупные научные центры сформировались в Великобритании, Германии, Бразилии, Израиле, Швейцарии и США.
🗑️ Стирание Ландауэра и квантовое топливо 24:45
Для демонстрации взаимосвязи информации и энергии Юнгер Халперн привела классический пример с одиночной частицей газа в коробке (иллюстрация к этой концепции была создана художником Тоддом Кэхиллом специально для её книги). Если частица находится в правой половине коробки, система кодирует 1, если в левой — 0. Если точное положение частицы неизвестно, состояние хаотично. Чтобы сбросить этот бит в чистое эталонное состояние (справа), необходимо сдвинуть перегородку от левой стены к центру, принудительно сжав газ. На это сжатие требуется затратить внешнюю термодинамическую работу.
Таким образом, процесс стирания информации всегда требует затрат энергии. Поскольку в ходе долгих непрерывных вычислений у компьютера рано или поздно закончатся чистые физические носители («черновики»), ему приходится безвозвратно стирать данные. В 1961 году исследователь из IBM Ральф Ландауэр осознал эту неизбежную связь, сформулировав принцип, названный «стиранием Ландауэра»: любые вычисления имеют внутреннюю, неустранимую термодинамическую стоимость.
Добавление квантовых эффектов полностью меняет этот сценарий. Группа ученых, включая португальского физика Лидию Де Рио, доказала, что если стирать не классический бит, а квантовый кубит, находящийся в состоянии максимальной квантовой запутанности с другим кубитом в термостате, то работу тратить не придется. Более того, Одри в процессе стирания своего запутанного кубита способна сама получить чистую полезную работу и зарядить ей условный аккумулятор.
Секрет кроется в контролируемом «сжигании» квантовых корреляций между частицами. В данных условиях квантовая запутанность начинает выступать в роли особого термодинамического топлива. Квантовые феномены дают колоссальные преимущества:
- Квантовые аккумуляторы за счет запутанности можно заряжать значительно быстрее, чем обычные.
- Квантовые микродвигатели способны совершать в среднем больше работы, чем их классические аналоги, «сжигая» информацию.
- Квантовые машины могут работать в экстремальных условиях, недоступных для макроскопических тепловых двигателей.
🚀 Будущее технологии и парадокс черных дыр 32:12
По оценкам Юнгер Халперн, в будущем квантовая термодинамика окончательно встанет в один ряд с такими фундаментальными дисциплинами, как астрофизика и физика элементарных частиц, став инструментом для анализа черных дыр и химии. Сама исследовательница сейчас сотрудничает с четырьмя экспериментальными лабораториями, работающими на ионах, искусственных атомах и фотонах. Пока эти опыты носят характер демонстрации принципа (proof of principle): существующие квантовые двигатели непрактичны, так как на их охлаждение и удержание тратится больше энергии, чем они отдают. Однако практические шаги уже делаются: совместно с учеными из Швеции ведется разработка миниатюрного квантового холодильника, который будет помещаться внутрь большого криостата Университета Чалмерса для оперативного сброса состояний отработанных кубитов после вычислений.
Инструменты квантового стимпанка помогают пролить свет на знаменитый информационный парадокс черных дыр. Любой объект, пересекающий горизонт событий черной дыры, затягивается внутрь безвозвратно. Однако Стивен Хокинг доказал, что черные дыры способны медленно испаряться, излучая радиацию. Проблема заключается в том, что это излучение Хокинга выглядит абсолютно хаотичным и тепловым, лишенным каких-либо признаков уничтоженного объекта. Если условная Одри бросит в черную дыру свой секретный дневник, а её брат Бакстер будет ловить частицы излучения снаружи, он не сможет прочесть текст.
Большинство современных физиков сходится во мнении, что информация во Вселенной не может исчезнуть бесследно. Секрет дневника Одри на самом деле сохраняется, но он закодирован в сложнейшей квантовой запутанности, распределенной между всеми частицами испущенной радиации сразу; чтобы вернуть данные, Бакстеру пришлось бы собрать абсолютно все частицы и провести над ними невообразимо сложное совместное измерение. Попадая в черную дыру, информация мгновенно перемешивается — этот процесс называют скремблированием. Николь Юнгер Халперн удалось математически доказать известное термодинамическое уравнение, описывающее этот специфический паттерн квантового скремблирования внутри черной дыры, что подтверждает общность законов термодинамики на всех масштабах Вселенной.
Отвечая на вопросы слушателей, Халперн затронула тему этики технологий. По её словам, текущая «Вторая квантовая революция» (переход от пассивного понимания квантового мира в 1920-х годах к активному строительству приборов) несет в себе как огромные блага в виде точечного дизайна лекарств, так и риски. Она подчеркнула важность курсов научной этики для студентов. Спикер также поделилась личной историей о картине Роберта Ван Вранкена «Всё сразу или по очереди?», которую она увидела в штаб-квартире Национальной академии наук США. Эта картина в стиле стимпанк вдохновляет её, отражая идею квантовой суперпозиции и коллапса волновой функции: частица находится во множестве мест одновременно, пока её не измерили. В финале ведущий в шутку поинтересовался, часто ли физики «мыслят в коробке» (шаблонно). Халперн с улыбкой согласилась, что физики обожают примеры с «частицами в коробках», но цель квантового стимпанка — научить человечество выходить за рамки привычных ограничений.
