Физика – Основы устройства мира

Главная проблема квантовых компьютеров, которую физики пытаются решить уже более тридцати лет, называется декогеренцией. Квантовое состояние живёт крайне недолго: иногда микросекунды, иногда наносекунды. После этого случайный шум, тепловые колебания или электромагнитные поля разрушают суперпозицию и квантовую запутанность. Кубиты теряют информацию ещё до завершения вычислений. Современные системы вынуждены использовать сложные схемы охлаждения, вакуумные камеры и массивные механизмы коррекции ошибок. В 2026 году физики из Гарварда и MIT предложили совершенно иной подход. Вместо бесконечной борьбы с шумом они создали квантовые состояния, которым шум почти не страшен. Эти состояния получили неофициальное название квантового велосипеда.

Главный вопрос квантовой механики звучит удивительно просто: если элементарные частицы способны находиться в суперпозиции нескольких состояний одновременно, почему мы никогда не видим кошку одновременно живой и мертвой, как в знаменитом мысленном эксперименте Эрвина Шрёдингера?

Вопрос о том, являются ли квантовые объекты волнами или частицами, остаётся одной из центральных загадок квантовой механики на протяжении более века. Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе множества физических явлений, от интерференции до квантовой запутанности, и представляет собой фундаментальный парадокс: квантовый объект может проявлять как волновые свойства, так и свойства частицы, в зависимости от условий наблюдения. Однако до последнего времени не существовало полной количественной модели, описывающей это поведение с высокой точностью.

Идея квантового интернета еще недавно казалась исключительно лабораторным экспериментом. Главная проблема заключалась в том, что квантовая информация чрезвычайно чувствительна к любым помехам, тогда как современные телекоммуникационные сети представляют собой настоящий поток мощных световых сигналов. Долгое время считалось, что совместить эти два мира практически невозможно. Однако новое исследование специалистов Северо-Западного университета показывает, что квантовая связь способна работать даже в условиях интенсивной передачи обычного интернет-трафика. Это открытие может стать одним из важнейших шагов на пути к созданию глобального квантового интернета без необходимости строить совершенно новую инфраструктуру.

Одна из самых фундаментальных проблем современной физики — разрыв между квантовой механикой и теорией гравитации — может оказаться ключом к пониманию природы времени. Международная группа исследователей при поддержке Foundational Questions Institute предложила новый взгляд на так называемые модели квантового коллапса, показав, что они могут быть напрямую связаны с микроскопическими флуктуациями времени.

Фундаментальные силы природы — гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия — описываются калибровочными теориями, сложными математическими моделями, которые объясняют, как элементарные частицы взаимодействуют между собой. Эти теории лежат в основе Стандартной модели физики и охватывают самые глубокие уровни устройства материи. Однако их точное моделирование остаётся крайне сложной задачей даже для самых мощных суперкомпьютеров: количество взаимодействующих степеней свободы растёт экспоненциально, а расчёты быстро выходят за пределы возможностей классических вычислительных систем.

Впервые в истории науки учёным удалось воспроизвести на квантовом компьютере фундаментальное явление — спонтанное нарушение симметрии (SSB) при нулевой температуре. Этот результат стал важной вехой как для квантовой теории, так и для физики конденсированного состояния. Эксперимент провели исследователи из Китая, Дании, Испании и Бразилии. Работа была опубликована в престижном журнале Nature Communications.

Одной из главных нерешенных задач современной фундаментальной физики остается объединение квантовой механики и общей теории относительности в единую теорию квантовой гравитации. Несмотря на впечатляющие успехи обеих теорий, каждая из них прекрасно описывает собственный масштаб Вселенной, однако между ними до сих пор существуют серьезные концептуальные противоречия. Новое исследование международной группы ученых стало важным шагом на пути к решению этой проблемы. Используя современный квантовый компьютер, физики впервые смогли экспериментально воспроизвести ряд ключевых особенностей голографической модели пространства-времени и проверить некоторые фундаментальные предсказания одной из самых известных теорий современной физики.

Почему Вселенная выглядит практически одинаково во всех направлениях? Этот вопрос уже многие десятилетия остается одной из фундаментальных проблем современной космологии. Сегодня астрономические наблюдения показывают, что вещество распределено в космосе удивительно равномерно, а температура реликтового микроволнового излучения отличается лишь на миллионные доли градуса. Однако существующие модели ранней Вселенной предполагают, что сразу после рождения космос должен был быть значительно менее упорядоченным, с многочисленными неоднородностями и различными скоростями расширения в разных направлениях.

Если бросить мяч в бетонную стену, результат очевиден: мяч отскочит. Классическая физика утверждает, что объект не может преодолеть препятствие, если его энергии недостаточно для прохождения через него. Этот принцип кажется настолько очевидным, что воспринимается как незыблемый закон природы. Однако в микромире атомов и элементарных частиц ситуация оказывается гораздо более странной.

Правило Байеса на протяжении двух с половиной веков служит одним из краеугольных камней вероятностного мышления. Оно позволяет корректировать наши убеждения в свете новых фактов, минимизируя изменения в исходной системе оценок. Но если в классической статистике вероятность понимается как мера веры или степени уверенности, то в квантовой физике она приобретает совершенно иной характер, напрямую связанный с состояниями микрочастиц и фундаментальными законами природы. Именно здесь появляется новая версия правила Байеса, выведенная международной группой исследователей из Национального университета Сингапура, Гонконгского университета науки и технологий и Нагойского университета.

Квантовая запутанность, когда-то названная Эйнштейном «жутким действием на расстоянии», сегодня становится фундаментальным инструментом для развития квантовых технологий. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, физики продемонстрировали достижение запутанности между двумя атомными ядрами фосфора, находящимися в кремниевой матрице на расстоянии около 20 нанометров. Это событие имеет огромное значение для будущего квантовых вычислений, так как открывает возможности для масштабируемых систем, способных хранить и обрабатывать информацию с высокой точностью и устойчивостью к шуму.

Квантовая физика продолжает делать огромные шаги в развитии технологий, и новое исследование, проведённое учёными Кембриджского университета, стало важным прорывом на пути к созданию масштабируемых квантовых сетей. Физики сумели запутать 13 000 ядерных спинов в «тёмное состояние», создав стабильный и точный квантовый регистр. Эта технология может радикально изменить сферу квантовой связи, хранилищ данных и распределённых вычислений.

В мире, где данные становятся новой валютой, а цифровая безопасность — критически важным элементом инфраструктуры, надежность случайных чисел приобретает фундаментальное значение. Большинство компьютерных систем — от шифрования и блокчейнов до статистического моделирования и честных выборов — полагаются на генераторы случайных чисел. Однако традиционные алгоритмы, даже самые сложные, могут быть предсказуемыми или подверженными вмешательству. Ответ на этот вызов современности дала фундаментальная физика: ученые впервые в истории запустили публичный генератор случайных чисел, основанный не на программном коде, а на самой природе квантовой реальности.

Инженеры из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее совершили важный шаг в развитии квантовых технологий. Они смогли создать состояние квантовой запутанности между двумя атомными ядрами, разделёнными значительным расстоянием, используя электроны в качестве посредников. Запутанные состояния считаются ключевым ресурсом для квантовых вычислений, ведь именно они обеспечивают вычислительное преимущество над традиционными компьютерами. Исследование опубликовано в журнале Science и уже называют одним из самых перспективных направлений в разработке масштабируемых квантовых процессоров.

Спустя два столетия после формулировки второго закона термодинамики Сади Карно, физики предложили его квантовый аналог — закон, описывающий возможность обратимой манипуляции квантовой запутанностью. Это открытие устраняет одно из фундаментальных ограничений в квантовой информатике, где до недавнего времени считалось, что запутанность, в отличие от тепла, не может быть преобразована без потерь между различными квантовыми состояниями.

Исследования на стыке квантовой и классической физики продолжают демонстрировать, что сложные квантовые явления можно изучать с помощью наглядных макроскопических систем. Недавняя работа ученых из Окинавский институт науки и технологий показала, что знаменитый эффект Ахаронова-Бома можно воспроизвести в простой жидкостной системе, используя резервуар с водой и управляемые волны.

Квантовые компьютеры считаются одной из самых перспективных технологий XXI века. Они способны выполнять вычисления, которые для самых мощных современных суперкомпьютеров заняли бы годы или даже столетия. Именно поэтому ученые и инженеры по всему миру активно работают над созданием квантовых процессоров с тысячами и миллионами кубитов. Однако новое исследование показывает, что по мере увеличения размеров таких систем может проявиться фундаментальное физическое ограничение, способное практически парализовать вычислительный процесс.

Современная физика рассматривает кварки как фундаментальные частицы, не имеющие внутренней структуры. Однако этот статус постоянно проверяется с помощью экспериментов высокой энергии, поскольку история науки показывает, что ранее «неделимые» объекты неоднократно оказывались составными. Новейшие результаты коллаборации CMS experiment дают одно из самых точных подтверждений того, что кварки действительно ведут себя как точечные объекты вплоть до экстремально малых масштабов.

Одним из важнейших направлений современной космологии остаётся поиск универсальных методов описания ранней Вселенной. На протяжении десятилетий основным инструментом были уравнения, учитывающие временную эволюцию полей и частиц, однако такой подход сталкивается с трудностями: слишком много неизвестных параметров и слишком большая зависимость от начальных условий. Концепция «кинематического потока» меняет перспективу — она описывает корреляции через их пространственную структуру, что позволяет обходиться без прямого моделирования течения времени.