# Тимоти Сье: «Квантовая физика — это как LEGO, где мы сами создаем законы» Источник: https://www.youtube.com/watch?v=5si6gEbiOeo Канал: Perimeter Institute Опубликовано: 15.04.2022 --- Исследование квантового мира сегодня напоминает сборку сложнейшего конструктора без инструкции. Тимоти Сье (Timothy Hsieh), адъюнкт-факультет Института Периметр (Perimeter Institute), рассказывает о том, как на стыке теории квантовой информации и физики конденсированного состояния рождаются новые состояния материи и как «магия» помогает преодолевать ограничения классических компьютеров. ## 🧱 От редукционизма к «квантовому LEGO» [[JUMP:00:16]] В современной физике долгое время доминировал редукционистский подход: ученые стремились разложить Вселенную на мельчайшие составляющие — атомы, электроны, кварки [01:11]. Однако Тимоти Сье привлекает иное направление — изучение эмерджентных явлений, возникающих в больших системах взаимодействующих частиц [00:42]. По мнению Сье, этот подход можно сравнить с игрой в LEGO: вместо того чтобы ломать блоки, ученые пытаются понять, какие сложные структуры можно из них собрать [02:02]. Спикер признается, что в детстве обожал этот конструктор, часто выбрасывал инструкции и предпочитал создавать собственные модели, что развило в нем тягу к творческому инженерному подходу в науке [02:14]. Ключевые идеи эмерджентного подхода: * Исследование взаимодействия множества квантовых степеней свободы. * Поиск новых физических феноменов, которые невозможно предсказать, изучая частицы по отдельности [02:39]. * Создание квантовых состояний «снизу вверх», манипулируя отдельными кубитами [03:05]. ## 💻 Компьютеры против симуляторов: в поисках «магии» [[JUMP:04:49]] Тимоти Сье проводит четкое различие между универсальным квантовым компьютером и квантовым симулятором [04:49]. По его словам, компьютер — это универсальное устройство, способное выполнять любой алгоритм, подобно классическому ПК, но на квантовом уровне [05:03]. Симулятор же — это более специализированное устройство с ограниченным набором операций, предназначенное для моделирования конкретных физических систем [05:17]. Для физика особую ценность представляет способность квантовых машин решать задачи, недоступные классическим суперкомпьютерам. Сье выделяет несколько аспектов этой проблемы: * **Трудности моделирования:** Классические компьютеры сталкиваются с непреодолимыми сложностями при попытке рассчитать динамику многочастичных квантовых систем [04:11]. * **Квантовое преимущество:** Это состояние, при котором квантовое устройство выполняет вычисления быстрее любой классической машины. Однако Сье отмечает, что границы классических вычислений постоянно сдвигаются и их трудно определить окончательно [11:23]. * **Ресурс «магии»:** В квантовой информации существует технический термин «магия» (magic), введенный Сергеем Бравием и Алексеем Китаевым [13:08]. По определению Сье, это особый ресурс (специальные квантовые состояния), который позволяет квантовому компьютеру выполнять универсальные операции, выходящие за рамки возможностей классической симуляции [13:21]. ## ⚡ Сверхпроводимость как «Святой Грааль» [[JUMP:06:10]] Одной из главных практических целей в области квантовых материалов является достижение высокотемпературной сверхпроводимости. Сье напоминает, что это явление, открытое еще в 1911 году, характеризуется полным отсутствием электрического сопротивления при охлаждении материала ниже критической температуры [06:23]. Проблемы и перспективы сверхпроводимости: 1. **Энергопотери:** Обычные металлы теряют энергию в виде тепла; сверхпроводники позволяют передавать ток без потерь [06:50]. 2. **Температурный барьер:** Традиционные сверхпроводники требуют охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю (несколько Кельвинов). Цель ученых — создать материал, работающий при комнатной температуре [07:42]. 3. **Отсутствие рецепта:** Сье подчеркивает, что универсальной «инструкции» по повышению критической температуры не существует, так как моделирование этих процессов крайне сложно [08:33]. Сье видит свою работу как «петлю обратной связи»: использование квантовых материалов для создания компьютеров и применение этих компьютеров для лучшего понимания самих материалов [09:37]. ## 🌀 Топологические фазы и защита симметрией [[JUMP:18:50]] В отличие от классических фаз материи (твердое тело, жидкость, газ), квантовые фазы определяются не температурой, а силой квантовых флуктуаций [17:04]. Тимоти Сье подробно останавливается на топологических фазах материи, которые он называет «необычными» [18:50]. Основные характеристики топологических фаз, по мнению Сье: * **Глобальность:** Их невозможно идентифицировать, глядя на отдельный участок системы. Нужно оценивать глобальные свойства, такие как запутанность или характеристики границ [19:41]. * **Устойчивость:** Топологические свойства системы не меняются при локальных деформациях, подобно тому как тороид (форма бублика) остается тороидом, даже если его немного сжать [20:07]. * **Защита симметрией:** Существуют так называемые симметрично-защищенные топологические фазы (SPT). Например, топологические изоляторы внутри являются диэлектриками, но на их поверхности находятся проводящие слои металлов [26:40]. Эта проводимость сохраняется до тех пор, пока соблюдается определенная симметрия системы [27:20]. Сье и его коллеги обнаружили, что определенные топологические фазы материи гарантированно обладают ресурсом «магии», необходимым для квантовых вычислений [18:37]. ## 🌌 Центр квантовой материи Клея Риддла [[JUMP:20:35]] В Институте Периметр Тимоти Сье является одним из руководителей Центра квантовой материи Клея Риддла. Центр объединяет три фундаментальные области: * Квантовые материалы. * Квантовая информация. * Квантовая гравитация [20:47]. Сье объясняет, что специалистов этих разных направлений объединяет общий вопрос: что происходит, когда множество квантовых частиц сильно взаимодействуют друг с другом? [21:13]. По мнению гостя, концепция голографии в квантовой гравитации (где теория гравитации в одном измерении эквивалентна квантовой системе в меньшем измерении) напрямую перекликается с тем, как идеи квантовой информации помогают изучать материалы [21:53]. Гравитация в этой картине рассматривается как эмерджентное явление — результат сложности множества мелких компонентов [22:18]. ## 🎻 От скрипки в Карнеги-холле до квантовых измерений [[JUMP:29:33]] Путь Тимоти Сье в науку начался в Лос-Анджелесе и был тесно связан с музыкой. С раннего детства он профессионально занимался скрипкой и даже выступал со своим оркестром в Карнеги-холле [30:10]. Одновременно с этим в возрасте 14–15 лет он успешно участвовал в национальной олимпиаде по физике, что Сье называет важной вехой в своей жизни [31:40]. По мнению Сье, музыка и физика имеют много общего: * **Дисциплина:** Занятия на скрипке научили его концентрации, необходимой для решения сложных задач [47:09]. * **Структура:** И квантовая механика, и сложные музыкальные произведения (например, Чакона Баха) основаны на наборе строгих правил и красивых структур [46:43]. * **Эмерджентность в искусстве:** Музыка — это тоже эмерджентный феномен, где из отдельных нот и аккордов рождается нечто совершенно новое — мелодия и гармония [48:13]. Спикер также затронул философскую проблему измерения в квантовой механике. Он отмечает, что существует противоречие между плавным развитием системы по уравнению Шрёдингера и резким «коллапсом» волновой функции в момент измерения [40:10]. Сье признается, что часто придерживается прагматичного подхода «заткнись и считай», используя измерения не только как финал эксперимента, но и как инструмент для создания интересной динамики внутри него [41:53]. ## 👶 Новые горизонты: фазовые переходы и отцовство [[JUMP:52:33]] В последние годы Сье сосредоточен на изучении динамических фазовых переходов, вызванных конкуренцией между унитарной эволюцией (которая создает запутанность) и измерением (которое ее разрушает) [43:24]. Он описывает это как борьбу за баланс между «запутыванием» и «распутыванием» частиц [43:37]. Одним из своих самых интригующих результатов Сье считает «топологический эффект близости» [56:17]. Его команде удалось найти способ «апгрейдить» фазы материи, делая их более экзотичными путем объединения с вспомогательными системами [54:58]. Завершая беседу, Сье сравнил свои исследования с новым этапом в личной жизни — отцовством [52:33]. По его шутливому замечанию, физика гораздо проще, так как в ней есть предсказуемые законы, в то время как ребенок — это непредсказуемая «система многих тел», которая постоянно поглощает и излучает информацию [52:47]. Однако именно этот опыт вдохновляет его мыслить нестандартно и подходить к науке с позиции «первых принципов» [53:38].