От классической термодинамики к квантовому стимпанку

Николь Юнгер Халперн работает в области квантовой физики. Она только что опубликовала свою первую книгу "Квантовый стимпанк: физика вчерашнего завтра", пишет Альтернативная наука.

Халперн училась в Дартмуте, где в 2011 году стала валедикторианкой. Позднее в Калифорнийском технологическом институте она получила степень доктора философии, участвовала в ряде исследовательских проектов в Гарварде и Университете Мэриленда.

Сейчас она работает в группе лазерного охлаждения и улавливания Национального института стандартов и технологий, Мэриленд.

Квантовый стимпанк - это творческий симбиоз квантовой информации и термодинамики. Новое направление в физике обещает произвести революцию в нашем понимании машин и будущего технологий. В качестве бонуса, он может сформировать новое понимание сложных вопросов, таких, как стрела времени или почему мы не можем вспомнить будущее. Издание Big Think публикует краткое изложение беседы.

Марсело Глейзер: Расскажите нам немного о вашем увлечении стимпанком. Это было что-то из вашего детства? Что вдохновило вас заняться физикой?

Николь Юнгер Халперн: Я действительно сталкивалась со стимпанком в детстве, хотя в то время я не знала об этом направлении. К слову, я читала и обожала "Хроники Хрестоманси" Дианы Уинн Джонс и серию "Его темные материалы" Филипа Пулмана, но я не воспринимала их как часть культурного образца. Для меня это были просто очаровательные книги, а очаровательные книги в целом подталкивали меня к физике. Я росла, постоянно читая - дома, на переменах, в ожидании еды в ресторанах - и поэтому привыкала строить и населять миры в своем воображении. Сейчас я строю и населяю миры в своем воображении как физик-теоретик.

Когда вы начали писать о стимпанке, у вас на уме был роман? Как проходил для вас творческий процесс, сочетающий художественную и нехудожественную литературу в необычном, но удивительно увлекательном формате повествования?

Хотя моя книга в основном нехудожественная, каждая глава начинается с фрагмента квантового стимпанк-романа, который живет в моем воображении. В романах стимпанка есть узнаваемые тропы: темные, опасные лондонские улицы; дирижабли и воздушные шары вместо самолетов и автомобилей; смелая, умная девушка, которая отказывается быть скованной ожиданиями общества (и корсетами). Мне понравилась идея поиграть с этими тропами - с подмигиванием и в книге о серьезной науке.

Когда в вашей карьере стало ясно, что вы хотите заниматься квантовой физикой? Какое-то событие, наставник, книга особенно вдохновили вас?

У меня всегда были философские наклонности, и мой школьный учитель метафизики развил эту склонность. Хотя он не понимал квантовую физику, ее парадоксы завораживали его, и он передал это увлечение мне.

В колледже я изучала квантовую теорию через призму курсов физики, философии, математики и истории. Я поняла, что квантовая теория занимает необычную позицию на границе между фундаментальным мышлением и прикладным применением.

С одной стороны, квантовая теория бросает вызов нашему пониманию природы реальности. С другой стороны, квантовая физика используется для разработки нового поколения квантовых компьютеров, датчиков, криптографических систем и многого другого. Я оценила баланс метафизики и ее практического обоснования.

Однако через какую призму я буду изучать квантовую физику после колледжа, было неясно до самого конца - до весны выпускного класса, когда я прослушала курс по истории физики. На этом курсе я работала не покладая рук, многому научилась и получила огромное удовольствие.

Однако, уже сталкиваясь с некоторыми темами на курсах физики, я понимала их более математически и глубоко, чем если бы я проходила курс как студент, не изучающий физику.

Более того, мы затронули темы - например, в физике частиц, - которые я раньше не изучали. Попробовав их, я не могла смириться с мыслью, что никогда не смогу понять их досконально. Поэтому я просто обязана была стать квантовым физиком.

Квантовая информация. Не могли бы вы объяснить это нашим читателям?

Во-первых, что такое информация? По сути, это способность различать альтернативы. Основной единицей информации является бит - количество информации, которое вы получаете, если не отвечаете на вопрос "да-нет", а затем узнаете ответ.

В неквантовом ("классическом") компьютере бит закодирован в транзисторе, который может иметь значение 1 или 0. Чтобы узнать бит, мы можем только "измерить", равно ли значение транзистора 1 или 0.

Основная единица квантовой информации называется "кубитом". Он может храниться, например, в электроне, в любом из бесконечно возможных способов. Так что, в некотором смысле, квантовая информация кодирует гораздо больше возможностей, чем классическая информация.

Как квантовая физика сочетается с термодинамикой для создания квантового стимпанка?

Стимпанк - это жанр литературы, искусства и кино, в котором футуристические технологии населяют викторианскую эпоху. Пока гудят первые заводы, изобретатели в шляпах и очках строят машины времени, дирижабли и автоматы.

Я вижу дух этого жанра в моей области исследований - квантовой термодинамике. Термодинамика, изучение энергии, была разработана в Викторианскую эпоху. Вдохновленные первыми фабриками, мыслители анализировали, насколько эффективно могут работать двигатели - передовая технология того времени.

Сегодняшние передовые технологии включают в себя квантовые системы, которые сильно отличаются друг от друга.

Квантовые системы малого размера, они состоят всего из нескольких атомов или других частиц, и могут вести себя контринтуитивным образом, невозможным для обычных объектов.

Ученые и инженеры используют это контринтуитивное поведение для создания квантовых компьютеров, которые смогут в считанные минуты решить некоторые проблемы; на решение современными компьютерами ушли бы многие годы.

Поэтому мы должны переосмыслить викторианскую теорию термодинамики для 21 века - и выяснить, насколько эффективно могут работать квантовые двигатели! Эту смесь викторианской термодинамики и футуристических квантовых вычислений я называю квантовым стимпанком.

Похоже, вы твердо верите в то, что квантовые вычисления изменят мир. Почему? Не существует ли серьезных технологических барьеров для реализации алгоритмов квантовых вычислений? Существуют ли ограничения на виды проблем, которые могут решать квантовые компьютеры? Или эти препятствия были решены благодаря недавним открытиям?

По правде говоря, я больше взволнована квантовой теорией информации - математическим и концептуальным инструментарием, частично вдохновленным перспективами квантовых компьютеров, - чем самими квантовыми компьютерами.

Квантовая теория информации изменила наше понимание квантовых систем - от молекул до материалов и черных дыр, которые мы теперь анализируем через то, как они хранят и манипулируют информацией.

Квантовая теория информации привела к открытию новых фаз материи; прогрессу в решении информационного парадокса черной дыры, поставленного Стивеном Хокингом; и переформулированию термодинамических законов, которые охватывают малые, квантовые и информационно-процессорные системы.

Каковы некоторые из текущих проблем в области квантовых вычислений?

Квантовые системы хрупки и легко исчезают. Если любая шальная частица приближается к квантовому компьютеру - даже если стол, на котором стоит компьютер, вибрирует - компьютер "отвлекается" и "забывает" информацию, которую он должен хранить, внося ошибку в вычисления.

Удержание всех компонентов компьютера в сфокусированном состоянии в течение длительного времени - вот главная задача сегодняшнего дня. Чтобы решить эту задачу, экспериментаторы и инженеры начинают использовать квантовые коды коррекции ошибок, которые теоретики разработали за последние несколько десятилетий.

Если бы вы могли решить одну проблему в физике, что бы это было?

Проблема измерения - один из увлекательных квантовых парадоксов, упомянутых выше. Квантовая система имеет характер, похожий на Джекила и Хайда: она ведет себя одним образом, когда ее не измеряют и совершенно иначе, когда ее измеряют. Как мы можем примирить эти два облика? Было предложено много решений, и у них есть свои сторонники, но они также имеют свои проблемы.