Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

которые объясняют, каким образом ферменты могут массово ускорять химические реакции. Квантовое туннелирование также может участвовать в сворачивании белка – процессе, в ходе которого молекула белка просматривает миллиарды возможных структур, чтобы найти свою активную форму. Кроме того, квантовое туннелирование может быть фундаментальным для эволюционного развития жизни на Земле. Уотсон и Крик первыми предположили, что таутомерия – химический эвфемизм протонного туннелирования – ДНК-базы внутри двойной спирали отвечает за мутации. Мы с Джимом Аль-Халили внимательнее изучили этот механизм и предположили, что в некоторых типах мутации также может быть задействована квантовая когерентность.

Живая клетка – это нанотехнология природы. Подобно тому как работающие в наномасштабе инженеры и физики должны использовать в своих моделях квантовую механику, продолжающаяся более трех миллиардов лет эволюция точно включила в себя квантовую динамику. Скорее всего, квантовая механика столь же фундаментальна для жизни, как и вода. Недавние эксперименты и симуляции действительно показали, что участвующие в водородных связях в воде протоны в высокой степени делокализованы (то есть находятся в суперпозиции пребывания в двух разных местах). Образование водородных связей, возможно, представляет собой самое фундаментальное биохимическое взаимодействие, участвующее в процессе образования базовых ДНК-пар, ферментном катализе, сворачивании белка, дыхании и фотосинтезе. Если в основе этого феномена лежит квантовая делокализация, значит, она критически важна для жизни. И правда, несколько исследователей (включая меня и Пола Дэвиса) предположили, что в квантовой механике, возможно, таится решение главной биологической загадки – вопроса о происхождении жизни.

Глава 10. В новое тысячелетие

Мы увидели, какую роль квантовая механика сыграла в столь многих областях физики и химии и какое влияние она оказала на них, а также узнали, насколько важной она стала для технологического прогресса прошедшего века, поспособствовав появлению таких технологий, как лазер, полупроводник и ядерный реактор. В последней главе нам пора вернуться к основным идеям, включая суперпозицию, запутанность и декогеренцию, и посмотреть, какую роль они могут сыграть в технологиях XXI века.

Умные эксперименты

Интересно, как бы Нильс Бор поступил с целым рядом невероятных экспериментальных прорывов в области атомной физики и квантовой оптики, произошедших за последнее десятилетие? Пионеры квантовой мысли настаивали, что предсказания квантовой механики имеют смысл только при ее применении к большому количеству (или скоплению) идентичных квантовых систем. Кроме того, они утверждали, что между микроскопическим миром, где действуют квантовые законы, и макроскопическим миром измерительных приборов, подчиняющихся законам классической физики, должна проходить четкая граница.

Оба этих ограничения теперь сняты, поскольку исследователи уже работают с отдельными атомами и фотонами.

Здесь и нашлось еще одно применение для невероятно точных лазеров – они стали устройством для манипулирования отдельными атомами. Когда атомы с помощью электромагнитных полей помещают в ультравысокий вакуум, точно настроенные и нацеленные лазеры могут использоваться на их охлаждения. Должен заметить, что наличие у атомов «температуры» просто означает, что атомы не стоят на месте: чем более возбужден атом, тем выше его температура. Свет лазера заставляет атом терять энергию и «остывать». Сегодня лазеры могут спокойно использоваться для охлаждения атомов до температуры, которая менее чем на одну тысячную градуса выше абсолютного нуля. Затем они могут функционировать в качестве оптических пинцетов, чтобы удерживать атомы на месте, а также толкать их при помощи точных импульсов энергии, тем самым отправляя их в квантовые суперпозиции и запутанные состояния.

Примечательно, что эти техники удалось успешно применить лишь в последнее десятилетие прошлого века, поэтому в последние несколько лет на страницах журнала Nature то и дело появлялись статьи об этой удаче. Мы наконец можем изучить границу квантового и классического миров.

Вот пример того, как быстро меняются идеи. Студентов-физиков долгое время учили, что «увидеть» можно только объект, размерами не меньше длины волны того света, который на него направляют. Это привело к изобретению электронного микроскопа, описанного в предыдущей главе. Длина волны видимого света составляет примерно половину микрона (одной тысячной миллиметра), а атомы более чем в тысячу раз меньше. Теперь учебники надо переписывать: сегодня исследователи без особого труда могут ловить отдельные атомы, рассматривать и отслеживать их и вообще манипулировать ими на свое усмотрение, используя лазерные пучки видимого света.

Прежде чем я расскажу, как некоторые из этих техник в будущем смогут быть использованы для создания устройства, называемого квантовым компьютером, давайте рассмотрим несколько экспериментов. Каким образом видимый свет может позволить нам разглядеть нечто столь малое, как атом? Длина его волны для этого явно слишком велика.

Как отследить атом

Сегодня физики могут обнаруживать образец размером несколько тысяч атомов, направляя на него свет, но происходит это не так, как вы думаете: они не просто отражают свет от образца, как при использовании микроскопа. Если частота света настроена таким образом, чтобы его фотоны обладали энергией, которая, согласно формуле Планка, соответствует энергии атомного перехода, то некоторые фотоны поглощаются атомами. Не забывайте, что под переходом подразумевается лишь то, что один из электронов атома перепрыгивает на более высокий энергетический уровень. Таким образом, используя свет этой «резонирующей» частоты, мы наблюдаем сокращение общего количества фотонов, поскольку несколько тысяч особенно смелых фотонов жертвуют собой ради атомов. Так мы и узнаем о наличии атомов.

Связанная с этим весьма хитроумная идея позволяет обнаружить единичный атом. Вместо того чтобы светить на него лазерным светом, настроенным на резонирующую частоту, мы смотрим, что происходит со светом, частота которого не позволяет ему быть поглощенным. Сначала отдельные атомы ловятся и охлаждаются, а затем по одному впускаются в крошечное устройство, называемое оптическим резонатором, длина которого составляет малую долю миллиметра, а стенки обладают высоким индексом отражения. Внутрь резонатора направляется свет очень слабого лазера, в результате чего в любой момент времени вместе с атомом от стенок отражается в среднем всего один фотон! Каждый раз, когда этот фотон встречается с атомом, он чуть замедляется при движении «сквозь» атом[73] (точно так же, как свет замедляется при движении сквозь воду или стекло). Это вызывает небольшое изменение волновой функции протона, которое постепенно нарастает, пока он тысячи раз проходит сквозь атом, и в конце концов эффект становится измеримым.

Физики Института квантовой оптики общества Макса Планка в Германии использовали эту технику, чтобы отследить траекторию атома, движущегося внутри резонатора. Само собой, происходящее в таком случае равносильно постоянному наблюдению за атомом, поэтому он всегда ведет себя, как классическая частица.

Наблюдая декогеренцию в действии

Ряд экспериментов в сфере квантовой оптики действительно привел к появлению громких заголовков в научных журналах последних лет. Три четверти века физики-теоретики и философы