Когда электрон покидает душа

Мировые новостные ленты всколыхнуло сообщение об экспериментальном "обнаружении" нового состояния вещества – квантовой спиновой жидкости. Новость обязана своим появлением вышедшей 4 апреля статье в авторитетнейшем научном журнале Nature Materials и последующим "популярным" комментариям её соавторов, в частности, на сайте Кембриджского университета.

Что случилось?

Напомним кратко, что коллектив авторов из США (большинство), Англии и Германии методом неупругого рассеяния нейтронов изучал двумерные твёрдые кристаллы хлорида рутения (по структуре, кстати, подобные графену) и обнаружил расщепление спектра рассеяния, которое может быть объяснено при помощи теоретической модели квантовой спиновой жидкости с так называемыми майорановскими фермионами – то есть когда электрический заряд и спин (магнитный момент) электрона находятся не в одной и той же точке пространства, а из-за квантовой природы "разбежались" в разные стороны (обычно они всё же "ходят" вместе – как тело и душа).

Благодаря этому "раздвоению личности" электронов, сохраняющемуся даже при охлаждении до самых низких температур, о квантовой спиновой жидкости говорят как о новом, третьем, фундаментальном типе магнитного состояния вещества (наряду с ферро- и антиферромегнетизмом). А в далёкой перспективе это способно помочь с получением высокотемпературных сверхпроводников и даже квантовых процессоров для компьютеров (что подчеркнули в своей статье и авторы открытия). То есть может найти применение в гаджетах будущего – если, конечно, они к тому времени ещё останутся гаджетами, а не превратятся во вживляемые в тело и мозг замысловатые субстраты.

Русский след

Кстати, и тут не обошлось без "русского следа": хотя "матчасть" (эксперименты) обеспечивали американцы, за теорбазу "из-за океана" отвечали два немца, индус и русский – Дмитрий Коврижин, воспитанник теоршколы "курчатника", а ныне сотрудник Кембриджа. Теорию же, предсказавшую данный тип квантовой жидкости (названный в его честь), создал Алексей Китаев – выпускник физтеха, воспитанник теоршколы ИТФ РАН им. Ландау, а ныне американский профессор и член Международного консультативного совета Российского квантового центра.

Саму возможность существования спиновой жидкости теоретически предсказал еще в 1973 году американец Филип Андерсон, позднее получивший "нобелевку", в том числе и за это. 92-летний старец наверняка уже порадовался косвенному подтверждению её существования (кстати, в 2012 году сходные результаты были получены при помощи рассеяния нейтронов и на другом материале).

Наука и жизнь 

При чём тут квантовые компьютеры, спросит обыватель? Дело в том, что они как раз построены на тех принципах квантовой теории материи, когда "душа" элементарной частицы отделяется в пространстве от её "тела" и "живет своей жизнью", сохраняя невидимую связь с "телом" на очень больших расстояниях.

Благодаря этому "астралу" некоторые типы вычислительных задач при помощи КК удаётся решать в 100 миллионов раз быстрее, чем на обычных, "земных" компьютерах. Образно говоря, если перед обычным человеком ("в здравом теле") поставить задачу узнать, что находится на поверхности, например, Марса, ему нужно лететь полгода туда и столько же обратно. А если его перевести в "квантовое" состояние ("медиума"), когда душа отделяется от тела, то она "слетает" туда со скоростью света (а то и быстрее – есть предположения, что квантовая запутанность передаётся даже быстрее света!), то есть за несколько минут. Впрочем, это "популярное" объяснение принципов работы КК наверняка вам понятно не более, чем буквальное – через суперпозицию и запутанность кубитов (то есть минимальных единиц информации, которые могут принимать спектр комплексных значений от 0 до 1).

К задачам, где КК могут работать кардинально быстрее обычных компьютеров, относятся криптография (благодаря ещё одной уникальной особенности квантовых систем, связанной с процессом измерения результата), взлом зашифрованных данных, искусственный интеллект и сложные сравнения в большом массиве информации, оптимизация многопараметрических систем и др. А это – новые эффективные лекарства и метаматериалы, точные прогнозы погоды, борьба с терроризмом, новые горизонты научных моделей и познания Вселенной и мн. др.

Более того, утверждается, что существуют задачи, которые принципиально невозможно решить на обычных компьютерах, но которые "по зубам" квантовым. Вроде того, чтобы нам слетать внутрь "чёрной дыры" и вернуться обратно живыми (а не в виде излучения Хокинга, например).

Завтра начинается сегодня 

Квантовые вычисления – уже весьма обширная и хорошо финансируемая область науки (причём в этом активно участвуют и гиганты вроде IBM и Microsoft), постепенно перетекающая в технические решения. Так, уже несколько лет выпускаются "квантовые компьютеры" D-Wave (их купила себе и Google), которые используют специальные квантовые процессоры, с виду похожие на обычные микросхемы, но работающие на совсем других физических принципах и при очень низких температурах. И если ранее были сомнения, действительно ли они проводят "квантовые" вычисления, то в минувшем декабре Google удалось их развеять. В IBM утверждают, что сделают свой "чистый" КК буквально через пятилетку. И экспериментальное наблюдение квантовой спиновой жидкости электронов – хороший кирпичик в фундамент нашего светлого "квантового" будущего.