Кот Шрёдингера стал, пожалуй, самой известной научной метафорой. Однако не все знают, что без этого мысленного эксперимента не появилось бы современного смартфона. Эта и другие концепции квантовой физики кажутся далекими от нашей повседневной жизни, но именно на них основаны многие привычные нам технологии. В год столетия квантовой механики узнали у ученых, благодаря каким открытиям появились лазеры, МРТ и интернет, как один алгоритм вызвал всемирный бум на разработку квантового компьютера и как принцип неопределенности помог ученым заглянуть в далекое прошлое Вселенной.

_{Фото: agsandrew / Фотобанк Фотодженика}

Корпускулярно-волновой дуализм

В чем суть концепции. Эта идея утверждает, что любой квантовый объект — элементарная частица — при одних условиях ведет себя как частица, а при других — как волна. Такая двойственность в поведении «волна-частица» хорошо видна на примере частиц света — фотонов. Свет как поток фотонов демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции — огибания препятствий — и интерференции — увеличении или уменьшении амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Корпускулярные же свойства света проявляются, например, при возникновении явления фотоэффекта, когда падающий свет «выбивает» электроны из вещества.

Как концепция повлияла на развитие науки и технологий. Идею корпускулярно-волнового дуализма сформулировал Луи де Бройль в 1924 году на заре развития квантовой физики, чем еще сильнее укрепил положение новой области науки. Благодаря этой концепции были сформулированы другие важнейшие принципы квантовой физики. Например, последовательной теории фотоэффекта и лазеров, без которых не появились бы медицинские биосенсоры, солнечные батареи и другие оптические технологии.

«Эта концепция помогает понять, что квантовый мир принципиально отличается от классического, но несмотря на это, он познаваем. Более того, полное описание квантового явления возможно и даже должно быть построено в терминах классической физики. Корпускулярно-волновой дуализм позволяет не столько рассчитать что-нибудь из квантовых явлений, сколько понять результаты этих расчетов», — объясняет доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой теоретической ядерной физики института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Сергей Попруженко.

Спин и запрет Паули

В чем суть открытия. Мы уже выяснили, что элементарные частицы могут вести себя и как частицы, и как волны. Теперь представьте таз с водой. Если в него бросить шарик, по воде начнут расходиться волны. Они ударяются о стенки таза, но за его пределы не выходят. Так и частицы, пока их не находят и не измеряют, — это ограниченные в неком пространстве волны. Если же проделать дырку в тазу, то вода начнет убегать сквозь нее, закручиваясь в вихрь. Также волны материи, как эти «закрученные» волны на поверхности воды, как бы «вращаются» против или по часовой стрелке. Эту величину, которая характеризует направление «вращения» частицы, и называют спином.

В зависимости от спина частица обладает определенными свойствами. Частицы с полуцелым спином — это фермионы. Из них в основном состоит материя. Частицы с целым спином — это бозоны, благодаря которым происходит взаимодействие между фермионами. Упрощая, можно сказать, что фермионы — это кирпичи материального мира, а бозоны — цемент. Именно благодаря бозонам, которыми в том числе являются кванты света — фотоны, мы чувствуем и видим все, что происходит вокруг нас. Однако два одинаковых фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии в одной области пространства, они «отталкиваются» друг от друга. На бозоны это правило не распространяется. Эту закономерность описал австрийский физик Вольфганг Паули. Затем она переросла в фундаментальное положение квантовой механики — принцип запрета Паули.

Как открытие повлияло на развитие науки и технологий. Спин — это своеобразный двоичный код. Только вместо нулей и единиц для кодирования информации используется обозначение направления спина: вверх или вниз. Поэтому это явление играет большую роль при разработке транзисторов, оптических чипов, квантовых компьютеров и других подобных технологий. На принципе запрета Паули во многом основывается дизайн современной электроники, которая работает на электронах, то есть фермионах по «спиновой» классификации. В значительной степени благодаря этой концепции были разработаны технологии «левитирующих» поездов, которые движутся без контакта с поверхностью.

«Понятие спина играет ключевую роль в работе с поляризованными частицами. Они крайне полезны для проведения исследований в области так называемой Новой физики с большой буквы — поиске новых частиц, которые не укладываются в Стандартную модель физики частиц. Например, теоретически предсказанные аксионы. Уметь работать с такими частицами будет важно на ускорителях следующего поколения, которые появятся после Большого адронного коллайдера», — поясняет доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Дмитрий Карловец.

Принцип квантовой неопределенности

В чем суть открытия. Согласно этой концепции, одновременно и с абсолютной точностью у частиц нельзя определить «комплементарные» пары физических величин, например, положение и импульс, амплитуду и фазу электромагнитной волны. Поэтому частицы, у которых есть импульс и энергия, делокализованы в пространстве — разбросаны по всей вселенной и существуют вечно. Точечные же частицы в конкретной точке пространства и времени не обладают определенными импульсом и энергией.

Исходя из этого принципа, как правило, для изучения процессов с частицами, например, распада или излучения, ученые «наделяют» их вероятными энергиями и импульсом. Но такой подход не позволяет отслеживать эти явления в динамике и проводить эксперименты, когда регистрирующие детекторы расположены очень близко к области наблюдаемой реакции.

Как открытие повлияло на развитие науки и технологий. Этот принцип активно используется в современных технологиях. Например, любая электроника конструируется с «оглядкой» на неопределенность, так как это фундаментальное свойство поведения частиц, в том числе электронов.

Также, опираясь именно на этот принцип, ученые международного проекта LIGO «усовершенствовали» интерферометр и «настроили» поведение лучей света так, что в 2015 году им удалось зарегистрировать гравитационные волны от слияния двух черных дыр. Изучение этих волн, которые возникли еще миллиарды лет назад, позволит узнать, что происходило на ранней стадии развития Вселенной, возможно, даже в момент Большого взрыва. Как отмечает Дмитрий Карловец, это изобретение — своеобразная машина времени.

Уравнение Шредингера

В чем суть открытия. Количественно описать эту «делокализованность» или «размазанность» квантового объекта в пространстве, впервые удалось Эрвину Шрёдингеру. Его знаменитое уравнение положило начало развитию концепции волновой функции, с помощью которой можно описать любую квантовую систему и ее эволюцию, предсказать вероятное местоположение и импульс частиц. Это позволило перекинуть мостик от привычного волнового описания электромагнитного поля в квантовый мир массивных частиц. Иными словами, у физиков появился своеобразный «переводчик», который помогает описать скрытый от наших органов чувств мир на языке математики.

Как открытие повлияло на развитие науки и технологий. Уравнение Шредингера помогает понять, как «ведут» себя электроны в разных структурах из разных материалов, что крайне важно при создании электроники, в том числе смартфонов, микрочипов, биодатчиков и так далее. Также немалую роль оно играет и в вопросе разработки других квантовых технологий: компьютеров, систем связи и шифрования. Кроме того, волновое уравнение используют в квантовой химии. Например, для расчета энергетических уровней молекул и атомов при проектировании новых материалов и даже лекарств.

Квантовая запутанность

В чем суть открытия. Если есть пара частиц, которые находятся в состоянии квантовой запутанности, то измерение состояния одной частицы влияет на состояние второй. Чтобы подробнее объяснить этот принцип, разберем пример. Пару шоколадок, молочную и горькую, убирают в две отдельные коробки и отправляют в разные города. Открыв одну коробку и увидев в ней молочную шоколадку, вы сразу узнаете, что в другой находится горькая. Но в условиях квантового мира в каждой посылке до открытия будут не «молочная» или «горькая» шоколадки, а их суперпозиция, словно молочная постоянно превращается в горькую и обратно. Лишь когда одну из коробок открывают, эти превращения замирают и вы находите либо горькую, либо молочную шоколадку, а во втором ящике «появляется» парная ей. Так и с частицами, пока их не измеряют, они находятся в суперпозиции разных состояний. Лишь в момент измерения система переходит в одно из возможных состояний, а все остальные исчезают. Это называется «коллапсом» волновой функции. Заранее предсказать состояние частицы невозможно — можно лишь говорить о вероятности того или иного исхода измерения.

Как открытие повлияло на развитие науки и технологий. Сегодня создание запутанных состояний — уже рутинная задача. Как отмечает доктор физико-математических наук, заместитель директора Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований Дмитрий Наумов, «то, что начиналось как философский спор об основах квантовой механики, стало инженерным ресурсом». Явление запутанности лежит в основе квантовой телепортации и криптографии, метрологии, процессов создания защищенных каналов связи и новых типов датчиков.

«Истоки концепции запутанности — ещё в знаменитых спорах Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Тогда Эйнштейн считал, что запутанность указывает на неполноту квантовой механики. Спустя почти полвека, в 1960‑х, Джон Белл показал, что запутанность можно проверить экспериментально, хотя и считал эту тему скорее философской. Но его идеи оказались плодотворными: Артур Экерт применил их к задачам квантовой криптографии и телепортации, а пионерские эксперименты Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера принесли им Нобелевскую премию по физике 2022 года», — рассказывает Дмитрий Наумов.

Фундаментальные работы по квантовой электродинамике Фейнмана

В чем суть открытий. Ричард Фейнман был одним из основоположников квантовой электродинамики — области науки, в рамках которой изучаются вопросы рождения и превращения частиц, взаимодействия элементарных частиц с электромагнитным полем, излучения с веществом (испускание, поглощение и рассеяние) и между заряженными частицами. В частности, Ричард Фейнман разработал диаграммы для иллюстрации эволюции системы частиц. Благодаря им можно визуализировать без вычисления конкретных траекторий и скоростей, что было до взаимодействия частиц и что получилось в итоге. Также физик предложил партонную модель нуклона.

Как открытие повлияло на развитие науки и технологий. Работы Фейнмана внесли значительный вклад в технологии проектирования современных квантовых устройств: компьютеров, радаров, средств связи и шифрования. Также немалую роль сыграли открытия ученого в последующей разработке методов современной спектроскопии.

«Спектроскопия — основа нашей цивилизации. Очень большое количество наших знаний о природе и Вселенной было получено благодаря этому методу. Спектроскопия позволяет выяснить состав звезд, скоплений галактик и облаков, находящихся в межзвездном пространстве. С помощью анализа излучения спектров любого вещества можно определить его химический состав. Применяется спектроскопия и в медицине, например, для диагностики раковых опухолей, и фармацевтике для анализа состава лекарственных препаратов», — заключает доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой теоретической физики им. Л. Д. Ландау Московского физико-технического института Эмиль Ахмедов.

Алгоритм Шора

В чем суть открытия. В своем уравнении Шор показал, как с помощью квантовых компьютеров можно разложить большое число на простые множители быстро и при малом объеме энергии — всего тысяча джоулей — это в 335 раз меньше, чем понадобится, чтобы вскипятить литр воды в чайнике. Принцип обработки информации ученого основывался на особенностях поведения кубитов — единиц информации в квантовых вычислениях — которые могут принимать несколько значений одновременно и находиться в состоянии квантовой запутанности. Такое «квантовое» решение классической математической задачи позволило «обмануть» существующую веками систему вычисления.

Как открытие повлияло на развитие науки и технологий. Этот алгоритм в 1990-е годы вызвал бум интереса технологических компаний к разработке квантового компьютера. До его появления квантовые вычисления рассматривались как красивая, но абстрактная идея о том, что квантовые компьютеры могут проводить вычисления быстрее классических. Как подчеркивает Дмитрий Наумов, после публикации алгоритма началась настоящая «квантовая гонка» между корпорациями — по значимости сравнимая с космической или ядерной гонкой прошлого века. Одновременно с этим начали разрабатывать и аппаратуру, которая позволяла проводить квантовые вычисления для моделирования новых материалов, химических реакций и поиска лекарств.

Актуальные вопросы квантовой механики

Одним из главных нерешенных теоретических вопросов в этой области остается детальное описание процесса «коллапса» волновой функции, когда частица из состояния суперпозиции «переходит» в состояние, в котором она локализована во времени и пространстве с определенными характеристиками. Также не до конца решена проблема описания роли классического наблюдателя в эволюции квантовой системы.

Не исчезает из поля интересов ученых и «фундаментальный» вопрос человечества: как устроена Вселенная. Сейчас одна за другой опровергаются разработанные за последние полвека теории, например, «плохие времена» переживает теория струн, суперсимметрии и многие другие расширения Стандартной модели. Из-за чего, как отмечает Дмитрий Карловец, многие ученые уходят из науки. Все это может привести к мировоззренческому кризису в ближайшие десятилетия. Эта проблема тесно связана и с пересмотром принципов конструирования коллайдеров и проведения экспериментов на них. В том числе развития новых способов «ускорения» частиц, например, с помощью лазеров и строительства нового типа ускорителей.

Одним из более прикладных вопросов квантовой механики можно назвать задачу доказательства квантового превосходства и создания работающего квантового компьютера, который смог бы заменить классический. В частности, здесь физики решают проблемы масштабирования квантовых сетей и разрабатывают практические методы реализации кубитов и кутритов.

Среди других актуальных задач — поиск новых высокотемпературных сверхпроводников, удешевление технологий их производства и создание теории, которая объясняла бы явление высокотемпературной сверхпроводимости. А также вопрос управления отдельными атомами и молекулами и изучения химических реакций на уровне аттосекунд — промежутка времени в одну миллиардную часть от одной миллиардной секунды или 10 в минус 18 степени части от секунды. Кроме того, интерес представляет работа с частицами в мезоскопических масштабах, промежуточных между макроскопическим и микроскопическим, когда частицы рассматриваются не по отдельности или массивом, а как небольшое скопление. Например, изучение поведения пары запутанных фотонов или пары электронов в электронных микроскопах.

Материал подготовлен по мотивам беседы со спикерами международной конференции по теоретической физике «Квантовые недели», которая проходила в июле 2025 года в Петербурге на базе физического факультета ИТМО. Участники обсудили актуальные вопросы квантовой оптики, атомной физики, астрофизики, физики частиц и других направлений. Участие в проекте приняли 90 человек — ученых и студентов, а также 14 лекторов из российских вузов.