Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Когда-то смутная перспектива применения дискорда стремительно превращается в ключевое направление исследований, ведь имеются четкие свидетельства того, что шумные квантовые устройства являются следующей ступенью в увеличении эффективности квантовых технологий. Дискорд может сыграть роль даже в нашем понимании перехода между квантовым и классическим, который объясняет возникновение нашего повседневного жизненного опыта в реальном мире, а также в решении других фундаментальных проблем физики. Вполне вероятно, что однажды измерения повышенного квантового характера будут использоваться в самых современных датчиках для исследований геофизики и в других областях.

Квантовая телепортация

Рекорд дальности квантовой телепортации между двумя точками на Земле составил 143 километра. Он был установлен в 2012 году группой исследователей под руководством Антона Цайлингера из Венского университета. Мировой рекорд дальности квантовой телепортации по оптоволоконным сетям был установлен в сентябре 2016 года, когда две независимые группы передали квантовую информацию на расстояние в 6,2 километра.

Суперпозиция

Крупнейшим объектом, существовавшим в двух квантовых состояниях одновременно, является облако из 10 000 атомов рубидия.

Передача через космос

Первая квантовая передача через космическое пространство была совершена в 2014 году, когда фотоны в четырех разных квантовых состояниях (требуемый минимум для квантовой криптографии) были отправлены в космос и вернулись обратно, отразившись от пяти спутников, находящихся на расстояниях около 2600 километров друг от друга.

Мы склонны думать, что взаимодействие квантовой физики и биологии кончается на коте Шрёдингера (хотя Эрвин Шрёдингер не рассчитывал, что его несчастный кот станет чем-то большим, чем просто метафора). В действительности при написании в 1944 году книги «Что такое жизнь» он рассуждал, что живые организмы будут делать все возможное, чтобы воспрепятствовать расплывчатости квантовой физики. Но так ли это на самом деле?

Квантовая механика кажется нам очень странной, поскольку мы не можем увидеть ее проявления в наблюдаемом мире. Более того, их воздействие обычно ограничено мельчайшими составляющими вещества, лежащими за пределами наших чувств, например электронами или атомами. А когда триллионы микроскопических частиц собираются вместе внутри больших объемных объектов, вся квантовая таинственность как бы смывается последовательными колебаниями молекул, или шумом.

Вот почему ученым приходится исследовать квантовые явления в разреженных лабораторных условиях. Они должны охлаждать все до абсолютного нуля, выкачивать весь воздух и ограждать свои опыты от любых посторонних вибраций. Только тогда они смогут обнаружить тонкие квантовые явления.

Жизнь – горячая, беспорядочная и сложная. Она идет внутри органических клеток, полных толкающихся частиц, которые порождают какофонию молекулярных шумов. Складывается впечатление, будто последнее, что там можно было бы найти, – это квантовая механика. Тем не менее в последние годы становится все яснее, что квантовое поведение проявляется и внутри живых клеток. Возможно, оно объяснит фотосинтез, работу энзимов, как ориентируются в пространстве птицы и даже как работает ДНК. Кажется, жизнь эволюционировала для использования таинственности квантовой механики, чтобы не дать нам умереть.

Фотосинтез – одна из самых важных для жизни химических реакций. Он использует энергию солнечного света, чтобы создать биологические строительные блоки, но его необычайную эффективность трудно объяснить.

Первый этап фотосинтеза – это захват фотона света электроном на внешней оболочке атома магния внутри молекулы пигмента хлорофилла. Дополнительная энергия заставляет электрон колебаться, образовывая нечто, называемое экситоном.

Следующий шаг – это перенос электрона к центру реакций, где захваченная световая энергия может быть превращена в химическую энергию. Этот процесс должен пройти очень быстро, иначе световая энергия будет утеряна. Но чтобы найди центр реакций, экситон должен пересечь лес молекул пигмента, где его энергия, скорее всего, пропадет. Но измерения показывают, что перенос экситонов имеет самую высокую эффективность из всех реакций переноса энергии, близкую при оптимальных условиях к 100%. Этот уровень эффективности трудно объяснить, применяя только классическую физику.

Что происходит? В 2007 году Грег Энгель, сейчас работающий в Чикагском университете, проводил эксперименты, где луч лазера направляли на фотосинтезирующую систему бактерии. В ответ он получил что-то вроде светового эха. Необычным здесь было то, что эхо возвращалось биениями. Эти «биения» были знаком квантового поведения и продемонстрировали, что экситон шел не по одному конкретному маршруту через фотосистему, а собирал все возможные маршруты, распространяясь к центру реакций как квантовая волна. Это стало первым прямым свидетельством того, что в основе фотосинтеза лежит квантово-механический процесс. С тех пор квантовая когерентность была обнаружена во многих бактериальных и растительных фотосистемах и оказалась фундаментальной особенностью захвата световой энергии растениями и микробами. Примечательно, что эти хрупкие состояния сохраняются даже при окружающих температурах – особенность, вызывающая как интерес, так и зависть у разработчиков квантовых компьютеров, которым обычно приходится производить свои вычисления при температурах, близких к абсолютному нулю.

Будем надеяться. Грег Энгель из Чикагского университета, первым обнаруживший квантовые биения в фотосинтезе, выводит синтетические молекулы пигмента, которые имеют те же самые свойства когерентности, что и молекулы пигмента, обнаруженные в фотосинтезирующих комплексах клеток. Цель его работы состоит в том, чтобы в конечном счете создать солнечные батареи, которые смогут взаимодействовать с энергией так же эффективно, как это происходит в природе. Но потребуется много лет, чтобы его труды принесли существенные результаты, и перед тем, как это произойдет, нам нужно узнать больше о том, как жизни удается так долго поддерживать когерентность.

Самым известным предлагаемым примером квантовой биологии является система навигации зарянки (см. рис. 6.1). Каждую зиму эта птица улетает на юг, подальше от замерзающего севера; чтобы помочь себе ориентироваться, она использует особый тип встроенного компаса, который может измерять угол между магнитным полем Земли и ее поверхностью.